專利名稱：力檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力檢測(cè)裝置(force detection)，尤其涉及一種適于檢測(cè)在預(yù)定 坐標(biāo)軸方向上施加的力和圍繞預(yù)定坐標(biāo)軸施加的力矩的力檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
利用各種類型的力檢測(cè)裝置來控制機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。緊湊型力檢測(cè)裝置 也組成為用于電子設(shè)備的輸入裝置的人機(jī)接口。為了實(shí)現(xiàn)緊湊尺寸并降低成本，要求應(yīng)用 于這種場(chǎng)合的力檢測(cè)裝置在結(jié)構(gòu)上盡可能地簡(jiǎn)單并且能夠彼此獨(dú)立地檢測(cè)三維空間中的 各個(gè)坐標(biāo)軸上的力。通常，力檢測(cè)裝置的檢測(cè)目標(biāo)是預(yù)定坐標(biāo)軸方向上的分力和圍繞預(yù)定坐標(biāo)軸的分 力矩。當(dāng)在三維空間中限定XYZ三維坐標(biāo)系時(shí)，檢測(cè)目標(biāo)是以下六個(gè)分量各個(gè)坐標(biāo)軸方向 上的分力Fx、Fy和Fz，以及圍繞各個(gè)坐標(biāo)軸的分力矩Mx、My和Mz。關(guān)于能夠彼此獨(dú)立地檢測(cè)這六個(gè)力分量的力檢測(cè)裝置，例如，美國專利 No. 6915709中公開了一種具有相對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的裝置。在此裝置中，制備了一種包含兩個(gè)基 板的構(gòu)件，上述兩個(gè)基板由多個(gè)柱狀件連接，并且在固定一個(gè)基板的狀態(tài)下，當(dāng)對(duì)另一個(gè)基 板施加力時(shí)，通過單獨(dú)測(cè)量各柱狀件的位移，檢測(cè)所施加力的分量。美國專利No. 7219561公開了一種簡(jiǎn)化算術(shù)運(yùn)算的技術(shù)通過利用電容元件作 為傳感器來單獨(dú)測(cè)量各柱狀件的位移，從而通過在電容元件的特定電極之間提供接線 (wiring，配線)來檢測(cè)所施加力的分量。在上述專利文獻(xiàn)所公開的力檢測(cè)裝置中，彼此獨(dú)立地獲得各個(gè)柱狀件的傾斜，并 且基于多個(gè)柱狀件的傾斜形式，彼此獨(dú)立地檢測(cè)六個(gè)力分量。因此，用于彼此獨(dú)立地測(cè)量各 個(gè)柱狀件的傾斜角度的傳感器是必需的。特別地，在具有檢測(cè)六個(gè)力分量功能的裝置中，在 平行于XY平面的基板上設(shè)置有多個(gè)平行于Z軸方向的柱狀件，并且彼此獨(dú)立地測(cè)量各個(gè)柱 狀件的相對(duì)于X軸方向的傾斜角度和相對(duì)于Y軸方向的傾斜角度的傳感器是必需的，因而， 整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)不可避免地變得復(fù)雜。例如，如上述專利文獻(xiàn)所示，當(dāng)將使用電容元件的傳感器用作用于測(cè)量傾斜角度 的傳感器時(shí)，為了測(cè)量一個(gè)柱狀件的相對(duì)于X軸方向的傾斜角度和相對(duì)于Y軸方向的傾斜 角度，必須將電容元件設(shè)置在X軸的正方向和負(fù)方向中以及Y軸的正方向和負(fù)方向中。在 由此需要多個(gè)電容元件的裝置中，接線也不可避免地復(fù)雜，因而整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜， 且制造成本增加。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有更簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的力檢測(cè)裝置。(1)本發(fā)明的第一特征在于檢測(cè)在XYZ三維坐標(biāo)系中的預(yù)定方向上施加的力的力 檢測(cè)裝置，其包括上基板，具有平行于XY平面的基板表面；
下基板，具有平行于XY平面的基板表面并且設(shè)置在上基板的下方；第一柱狀件，具有直接或間接接合至上基板的下表面的上端，和直接或間接接合 至下基板的上表面的下端；第二柱狀件，具有直接或間接接合至上基板的下表面的上端，和直接或間接接合 至下基板的上表面的下端；以及檢測(cè)器，基于第一柱狀件和第二柱狀件的位移而輸出表示所施加力的電信號(hào)，其 中，第一柱狀件的下端與下基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓性 (flexibility)的第一下膜部(film portion)；第二柱狀件的下端與下基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓性的第二下 膜部；通過向XZ平面上正交投影第一柱狀件的中心軸線而獲得的投影圖像相對(duì)于Z軸 在第一方向上傾斜，并且通過向XZ平面上正交投影第二柱狀件的中心軸線而獲得的投影 圖像相對(duì)于Z軸在與第一方向相對(duì)的第二方向上傾斜；并且檢測(cè)器包括檢測(cè)第一下膜部在Z軸方向上的位移的第一傳感器和檢測(cè)第二下膜 部在Z軸方向上的位移的第二傳感器，并且檢測(cè)器輸出表示第一傳感器的檢測(cè)值與第二傳 感器的檢測(cè)值之間的差的電信號(hào)作為在下基板固定的狀態(tài)下在X軸方向上施加至上基板 的力Fx的檢測(cè)值。(2)本發(fā)明的第二特征在于第一特征的力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器進(jìn)一步輸出表示第一傳感器的檢測(cè)值和第二傳感器的檢測(cè)值之和的電信 號(hào)作為在下基板固定的狀態(tài)下在ζ軸方向上施加至上基板的力Fz的檢測(cè)值。(3)本發(fā)明的第三特征在于第一或第二特征的力檢測(cè)裝置，其中，在下基板的上表面或下表面上形成有第一下凹槽和第二下凹槽，由第一下凹槽的 底部形成第一下膜部，并且由第二下凹槽的底部形成第二下膜部。(4)本發(fā)明的第四特征在于第三特征的力檢測(cè)裝置，其中，每個(gè)下凹槽形成在下基板的上表面上，在下凹槽內(nèi)部設(shè)置凸起，凸起從每個(gè)下凹 槽的底面向上延伸至基板表面位置，并且每個(gè)柱狀件的下端經(jīng)由凸起接合至下膜部。(5)本發(fā)明的第五特征在于第一或第二特征的力檢測(cè)裝置，其中，下基板由撓性基板形成，第一下膜部由撓性基板的一部分形成，并且第二下膜部 由撓性基板的另一部分形成。(6)本發(fā)明的第六特征在于第一至第五特征中的任何一個(gè)特征的力檢測(cè)裝置，其 中，第一柱狀件的上端與上基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓性的第一上 膜部，并且第二柱狀件的上端與上基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓性的第二上 膜部。(7)本發(fā)明的第七特征在于第六特征的力檢測(cè)裝置，其中，在上基板的上表面或下表面上形成有第一上凹槽和第二上凹槽，并且由第一上凹 槽的底部形成第一上膜部，且由第二上凹槽的底部形成第二上膜部。
(8)本發(fā)明的第八特征在于第七特征的力檢測(cè)裝置，其中，每個(gè)上凹槽形成在上基板的下表面上，在上凹槽內(nèi)部設(shè)置有凸起，凸起從每個(gè)上 凹槽的底面向下延伸至基板表面位置，并且每個(gè)柱狀件的上端經(jīng)由凸起接合至上膜部。(9)本發(fā)明的第九特征在于第六特征的力檢測(cè)裝置，其中，上基板由撓性基板形成，第一上膜部由撓性基板的一部分形成，并且第二上膜部 由撓性基板的另一部分形成。(10)本發(fā)明的第十特征在于第一至第九特征中的任何一個(gè)特征的力檢測(cè)裝置，其 中，第一柱狀件的中心軸線和第二柱狀件的中心軸線設(shè)置在XZ平面或平行于XZ平面 的平面上，并且第一柱狀件和第二柱狀件關(guān)于YZ平面對(duì)稱。(11)本發(fā)明的第十一特征在于第一至第十特征中的任何一個(gè)特征的力檢測(cè)裝置， 其中，第一傳感器由第一電容元件構(gòu)成，第一電容元件包括形成于第一下膜部上的第 一位移電極；以及固定至與第一位移電極相對(duì)的位置處的第一固定電極，并且第二傳感器由第二電容元件構(gòu)成，第二電容元件包括形成于第二下膜部上的第 二位移電極；以及固定至與第二位移電極相對(duì)的位置處的第二固定電極。(12)本發(fā)明的第十二特征在于第十一特征的力檢測(cè)裝置，其中，下基板由導(dǎo)電材料制成，第一下膜部本身用作第一位移電極，并且第二下膜部本 身用作第二位移電極。(13)本發(fā)明的第十三特征在于第十一或第十二特征的力檢測(cè)裝置，進(jìn)一步包括固定至下基板的下表面的輔助基板，其中，在輔助基板的上表面上位于第一下膜部下方的位置處形成有第一輔助凹槽，在輔助基板的上表面上位于第二下膜部下方的位置處形成有第二輔助凹槽，并且在第一輔助凹槽的底面上形成有第一固定電極，且在第二輔助凹槽的底面上形成 有第二固定電極。(14)本發(fā)明的第十四特征在于檢測(cè)在XYZ三維坐標(biāo)系中的預(yù)定方向上施加的力 的力檢測(cè)裝置，其包括第一柱狀件和第二柱狀件，被設(shè)置為相對(duì)于沿上下方向限定的Z軸在預(yù)定方向上 傾斜；上結(jié)構(gòu)體，設(shè)置在第一柱狀件和第二柱狀件的上方；下結(jié)構(gòu)體，設(shè)置在第一柱狀件和第二柱狀件的下方；以及檢測(cè)器，基于第一柱狀件和第二柱狀件的位移而輸出表示所施加力的電信號(hào)，其 中，第一柱狀件的上端直接或間接接合至上結(jié)構(gòu)體的下表面，并且第一柱狀件的下端 直接或間接接合至下結(jié)構(gòu)體的上表面；第二柱狀件的上端直接或間接接合至上結(jié)構(gòu)體的下表面，并且第二柱狀件的下端 直接或間接接合至下結(jié)構(gòu)體的上表面；通過向XZ平面上正交投影第一柱狀件的中心軸線而獲得的投影圖像相對(duì)于Z軸 在第一方向上傾斜，并且通過向XZ平面上正交投影第二柱狀件的中心軸線而獲得的投影
16圖像相對(duì)于Z軸在與第一方向相對(duì)的第二方向上傾斜；“下結(jié)構(gòu)體”的至少一部分和“上結(jié)構(gòu)體、第一柱狀件、第二柱狀件、以及它們的相 互連接部分”的至少一部分具有撓性，以改變第一柱狀件和第二柱狀件的傾斜狀態(tài)，并且在 下結(jié)構(gòu)體固定至預(yù)定位置的狀態(tài)下，當(dāng)對(duì)上結(jié)構(gòu)體施加外力時(shí)，允許上結(jié)構(gòu)體位移；并且檢測(cè)器包括檢測(cè)第一柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第一傳感器和檢測(cè)第 二柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第二傳感器，并且檢測(cè)器輸出表示第一傳感器的檢 測(cè)值與第二傳感器的檢測(cè)值之間的差的電信號(hào)作為在下結(jié)構(gòu)體固定至預(yù)定位置的狀態(tài)下 在X軸方向上施加至上結(jié)構(gòu)體的力Fx的檢測(cè)值。(15)本發(fā)明的第十五特征在于第十四特征的力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器進(jìn)一步輸出表示第一傳感器的檢測(cè)值和第二傳感器的檢測(cè)值之和的電信 號(hào)作為在下結(jié)構(gòu)體固定至預(yù)定位置的狀態(tài)下在Z軸方向上施加至上結(jié)構(gòu)體的力Fz的檢測(cè) 值。(16)本發(fā)明的第十六特征在于第十四或第十五特征的力檢測(cè)裝置，其中，第一柱狀件的中心軸線和第二柱狀件的中心軸線設(shè)置在XZ平面上或平行于XZ平 面的平面上，并且第一柱狀件和第二柱狀件關(guān)于YZ平面對(duì)稱。(17)本發(fā)明的第十七特征在于第十四特征至第十六特征中的任何一個(gè)特征的力 檢測(cè)裝置，進(jìn)一步包括固定在下結(jié)構(gòu)體下方預(yù)定距離的輔助基板，其中，第一傳感器由第一電容元件構(gòu)成，第一電容元件包括形成于第一柱狀件的下端 與下結(jié)構(gòu)體接合的位置處的第一位移電極；以及在輔助基板的上表面上固定至與第一位移 電極相對(duì)的位置處的第一固定電極，并且第二傳感器由第二電容元件構(gòu)成，第二電容元件包括形成于第二柱狀件的下端 與下結(jié)構(gòu)體接合的位置處的第二位移電極；以及在輔助基板的上表面上固定至與第二位移 電極相對(duì)的位置處的第二固定電極。(18)本發(fā)明的第十八特征在于第十七特征的力檢測(cè)裝置，其中，下結(jié)構(gòu)體由導(dǎo)電材料制成，第一柱狀件的下端與下結(jié)構(gòu)體接合所在的部分用作第 一位移電極，并且第二柱狀件的下端與下結(jié)構(gòu)體接合所在的部分用作第二位移電極。(19)本發(fā)明的第十九特征在于檢測(cè)在XYZ三維坐標(biāo)系中的預(yù)定方向上施加的力 的力檢測(cè)裝置，其包括上基板，具有平行于XY平面的基板表面；下基板，具有平行于XY平面的基板表面并且設(shè)置在上基板的下方；第一至第四X軸柱狀件，具有直接或間接接合至上基板的下表面的上端，和直接 或間接接合至下基板的上表面的下端；第一至第四Y軸柱狀件，具有直接或間接接合至上基板的下表面的上端，和直接 或間接接合至下基板的上表面的下端；以及檢測(cè)器，基于第一至第四X軸柱狀件和第一至第四Y軸柱狀件的位移而輸出表示 所施加力的電信號(hào)，其中，第一至第四X軸柱狀件的下端與下基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓 性的第一至第四X軸下膜部；
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第一至第四Y軸柱狀件的下端與下基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓 性的第一至第四Y軸下膜部；第一 X軸柱狀件的中心軸線和第二 X軸柱狀件的中心軸線包含于在X軸正區(qū)域中 正交于χ軸的χ軸正側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于XZ平面互相相對(duì)地傾斜；第三X軸柱狀件的中心軸線和第四X軸柱狀件的中心軸線包含于在X軸負(fù)區(qū)域中 正交于χ軸的χ軸負(fù)側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于XZ平面互相相對(duì)地傾斜；第一 Y軸柱狀件的中心軸線和第二 Y軸柱狀件的中心軸線包含于在Y軸正區(qū)域中 正交于Y軸的Y軸正側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于YZ平面互相相對(duì)地傾斜；第三Y軸柱狀件的中心軸線和第四Y軸柱狀件的中心軸線包含于在Y軸負(fù)區(qū)域中 正交于Y軸的Y軸負(fù)側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于YZ平面互相相對(duì)地傾斜；并且檢測(cè)器包括檢測(cè)第一 X軸下膜部在Z軸方向上的位移的第一 X軸傳感器；檢測(cè)第 二 X軸下膜部在Z軸方向上的位移的第二 X軸傳感器；檢測(cè)第三X軸下膜部在Z軸方向上 的位移的第三X軸傳感器；檢測(cè)第四X軸下膜部在Z軸方向上的位移的第四X軸傳感器；檢 測(cè)第一 Y軸下膜部在Z軸方向上的位移的第一 Y軸傳感器；檢測(cè)第二 Y軸下膜部在Z軸方 向上的位移的第二 Y軸傳感器；檢測(cè)第三Y軸下膜部在Z軸方向上的位移的第三Y軸傳感 器；以及檢測(cè)第四Y軸下膜部在Z軸方向上的位移的第四Y軸傳感器，并且檢測(cè)器輸出基于 傳感器的檢測(cè)值而獲得的電信號(hào)作為在下基板固定的狀態(tài)下施加至上基板的力的檢測(cè)值。(20)本發(fā)明的第二十特征在于第十九特征的力檢測(cè)裝置，其中，在下基板的上表面或下表面上形成有第一至第四X軸下凹槽和第一至第四Y軸下 凹槽，第一至第四X軸下凹槽的底部形成第一至第四X軸下膜部，并且第一至第四Y軸下凹 槽的底部形成第一至第四Y軸下膜部。(21)本發(fā)明的第二十一特征在于第十九特征的力檢測(cè)裝置，其中，在下基板的上表面或下表面上形成有下環(huán)形凹槽，并且下環(huán)形凹槽的底部的各部 分形成第一至第四X軸下膜部和第一至第四Y軸下膜部。(22)本發(fā)明的第二十二特征在于第二十特征或第二十一特征的力檢測(cè)裝置，其 中，每個(gè)下凹槽或下環(huán)形凹槽形成在下基板的上表面上，在每個(gè)下凹槽或下環(huán)形凹槽 內(nèi)部設(shè)置有凸起，凸起從每個(gè)下凹槽或下環(huán)形凹槽的底面向上延伸至基板表面位置，并且 每個(gè)柱狀件的下端經(jīng)由凸起接合至下膜部。(23)本發(fā)明的第二十三特征在于第十九特征的力檢測(cè)裝置，其中，下基板由撓性基板形成，并且撓性基板的各部分形成第一至第四X軸下膜部和第 一至第四Y軸下膜部。(24)本發(fā)明的第二十四特征在于第十九特征至第二十三特征中的任何一個(gè)特征 的力檢測(cè)裝置，其中，第一至第四X軸柱狀件的上端與上基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓 性的第一至第四X軸上膜部，并且第一至第四Y軸柱狀件的上端與上基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓 性的第一至第四Y軸上膜部。(25)本發(fā)明的第二十五特征在于第二十四特征的力檢測(cè)裝置，其中，
在上基板的上表面或下表面上形成有第一至第四X軸上凹槽和第一至第四Y軸上 凹槽，第一至第四X軸上凹槽的底部形成第一至第四X軸上膜部，并且第一至第四Y軸上凹 槽的底部形成第一至第四Y軸上膜部。(26)本發(fā)明的第二十六特征在于第二十四特征的力檢測(cè)裝置，其中，在上基板的上表面或下表面上形成有上環(huán)形凹槽，并且上環(huán)形凹槽的底部的各部 分形成第一至第四X軸上膜部和第一至第四Y軸上膜部。(27)本發(fā)明的第二十七特征在于第二十五特征或第二十六特征的力檢測(cè)裝置，其 中，每個(gè)上凹槽或上環(huán)形凹槽形成在上基板的下表面上，在每個(gè)上凹槽或上環(huán)形凹槽 內(nèi)部設(shè)置有凸起，凸起從每個(gè)上凹槽或上環(huán)形凹槽的底面向下延伸至基板表面位置，并且 每個(gè)柱狀件的上端經(jīng)由凸接合至與上膜部。(28)本發(fā)明的第二十八特征在于第二十四特征的力檢測(cè)裝置，其中，上基板由撓性基板形成，并且撓性基板的各部分形成第一至第四X軸上膜部和第 一至第四Y軸上膜部。(29)本發(fā)明的第二十九特征在于第二十八特征的力檢測(cè)裝置，其中，一連結(jié)件 (coupling member)牢固地固定于上基板的上表面上的除了第一至第四X軸上膜部和第一 至第四Y軸上膜部以外的預(yù)定位置，并且在連結(jié)件上方接合有用于接收作為檢測(cè)目標(biāo)的力 的力接收器。(30)本發(fā)明的第三十特征在于第二十三特征、第二十八特征或第二十九特征中的 任何一個(gè)特征的力檢測(cè)裝置，其中，當(dāng)在撓性基板上限定四個(gè)區(qū)域時(shí)包括第一 X軸上/下膜部和第二 X軸上/下膜 部的區(qū)域、包括第三X軸上/下膜部和第四X軸上/下膜部的區(qū)域、包括第一 Y軸上/下膜 部和第二 Y軸上/下膜部的區(qū)域、以及包括第三Y軸上/下膜部和第四Y軸上/下膜部的 區(qū)域，沿著這四個(gè)區(qū)域的邊界，從撓性基板的外圍朝著中心部分形成有狹縫。(31)本發(fā)明的第三十一特征在于檢測(cè)在XYZ三維坐標(biāo)系中的預(yù)定方向上施加的 力的力檢測(cè)裝置，其包括上結(jié)構(gòu)體，在平行于XY平面的平面上擴(kuò)展；下結(jié)構(gòu)體，在平行于XY平面的平面上擴(kuò)展并且設(shè)置在上結(jié)構(gòu)體的下方；第一至第四X軸柱狀件，具有直接或間接接合至上結(jié)構(gòu)體的下表面的上端，和直 接或間接接合至下結(jié)構(gòu)體的上表面的下端；第一至第四Y軸柱狀件，具有直接或間接接合至上結(jié)構(gòu)體的下表面的上端，和直 接或間接接合至下結(jié)構(gòu)體的上表面的下端；以及檢測(cè)器，基于第一至第四X軸柱狀件和第一至第四Y軸柱狀件的位移而輸出表示 所施加力的電信號(hào)，其中，第一 X軸柱狀件的中心軸線和第二 X軸柱狀件的中心軸線包含于在X軸正區(qū)域中 正交于χ軸的χ軸正側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于XZ平面互相相對(duì)地傾斜；第三X軸柱狀件的中心軸線和第四X軸柱狀件的中心軸線包含于在X軸負(fù)區(qū)域中 正交于χ軸的χ軸負(fù)側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于XZ平面互相相對(duì)地傾斜；第一 Y軸柱狀件的中心軸線和第二 Y軸柱狀件的中心軸線包含于在Y軸正區(qū)域中正交于Y軸的Y軸正側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于YZ平面互相相對(duì)地傾斜；第三Y軸柱狀件的中心軸線和第四Y軸柱狀件的中心軸線包含于在Y軸負(fù)區(qū)域中 正交于Y軸的Y軸負(fù)側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于YZ平面互相相對(duì)地傾斜；并且檢測(cè)器包括檢測(cè)第一 X軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第一 X軸傳感器； 檢測(cè)第二 X軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第二 X軸傳感器；檢測(cè)第三X軸柱狀件 的下端在Z軸方向上的位移的第三X軸傳感器；檢測(cè)第四X軸柱狀件的下端在Z軸方向上 的位移的第四X軸傳感器；檢測(cè)第一 Y軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第一 Y軸傳 感器；檢測(cè)第二 Y軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第二 Y軸傳感器；檢測(cè)第三Y軸柱 狀件的下端在Z軸方向上的位移的第三Y軸傳感器；以及檢測(cè)第四Y軸柱狀件的下端在Z 軸方向上的位移的第四Y軸傳感器，并且檢測(cè)器輸出基于傳感器的檢測(cè)值而獲得的電信號(hào) 作為在下結(jié)構(gòu)體固定至預(yù)定位置的狀態(tài)下施加至上結(jié)構(gòu)體的力的檢測(cè)值。(32)本發(fā)明的第三十二特征在于第三十一特征的力檢測(cè)裝置，其中，下結(jié)構(gòu)體包括位于Z軸上的中心部，以及分別從中心部延伸至與第一至第四X軸 柱狀件的下端連接的連接位置和與第一至第四Y軸柱狀件的下端連接的連接位置的具有 撓性的八個(gè)分支部。(33)本發(fā)明的第三十三特征在于第十九特征至第三十二特征中的任何一個(gè)特征 的力檢測(cè)裝置，其中，第一 X軸柱狀件在XY平面上的正交投影圖像和第一 Y軸柱狀件在XY平面上的正 交投影圖像位于XY坐標(biāo)系的第一象限中，第三X軸柱狀件在XY平面上的正交投影圖像和第二 Y軸柱狀件在XY平面上的正 交投影圖像位于XY坐標(biāo)系的第二象限中，第四X軸柱狀件在XY平面上的正交投影圖像和第四Y軸柱狀件在XY平面上的正 交投影圖像位于XY坐標(biāo)系的第三象限中，并且第二 X軸柱狀件在XY平面上的正交投影圖像和第三Y軸柱狀件在XY平面上的正 交投影圖像位于XY坐標(biāo)系的第四象限中。(34)本發(fā)明的第三十四特征在于第三十三特征的力檢測(cè)裝置，其中，由“第一至第四X軸柱狀件”、“第一至第四Y軸柱狀件”、“上基板或上結(jié)構(gòu)體”、以 及“下基板或下結(jié)構(gòu)體”構(gòu)成的主結(jié)構(gòu)體關(guān)于XZ平面對(duì)稱，并且關(guān)于YZ平面也對(duì)稱。(35)本發(fā)明的第三十五特征在于第三十四特征的力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器輸出信號(hào)值V (Fx) 其與“第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值與第二 Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的 差”和“第三Y軸傳感器的檢測(cè)值與第四Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相對(duì)應(yīng)，作為 在X軸方向上施加的力Fx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V (Fy) 其與“第一 X軸傳感器的檢測(cè)值與第二 X軸傳感器的檢測(cè)值之間的 差”和“第三X軸傳感器的檢測(cè)值與第四X軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相對(duì)應(yīng)，作為 在Y軸方向上施加的力Fy的檢測(cè)值。(36)本發(fā)明的第三十六特征在于第三十五特征的力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V(Mx)，其與“第三Y軸傳感器的檢測(cè)值和第四Y軸傳感器的檢測(cè)值之和”和“第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值和第二 Y軸傳感器的檢測(cè)值之和”之間的差相對(duì)應(yīng)，作為圍繞 X軸施加的力矩Mx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V(My)，其與“第一 X軸傳感器的檢測(cè)值和第二 X軸傳感器的檢測(cè)值之和” 與“第三X軸傳感器的檢測(cè)值和第四X軸傳感器的檢測(cè)值之和”之間的差相對(duì)應(yīng)，作為圍繞 Y軸施加的力矩My的檢測(cè)值。(37)本發(fā)明的第三十七特征在于第三十四特征的力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器輸出信號(hào)值V(Mx)，其與“第三Y軸傳感器的檢測(cè)值和第四Y軸傳感器的檢測(cè)值之和” 和“第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值和第二 Y軸傳感器的檢測(cè)值之和”之間的差相對(duì)應(yīng)，作為圍繞 X軸施加的力矩Mx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V(My)，其與“第一 X軸傳感器的檢測(cè)值和第二 X軸傳感器的檢測(cè)值之和” 和“第三X軸傳感器的檢測(cè)值和第四X軸傳感器的檢測(cè)值之和”之間的差相對(duì)應(yīng)，作為圍繞 Y軸施加的力矩My的檢測(cè)值。(38)本發(fā)明的第三十八特征在于第三十七特征的力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器進(jìn)一步計(jì)算信號(hào)值V (Fx) 其與“第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值與第二 Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的 差”和“第三Y軸傳感器的檢測(cè)值與第四Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相對(duì)應(yīng)；以及信號(hào)值V (Fy) 其與“第一 X軸傳感器的檢測(cè)值與第二 X軸傳感器的檢測(cè)值之間的 差”和“第三X軸傳感器的檢測(cè)值與第四X軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相對(duì)應(yīng)，并且通過使用預(yù)定系數(shù)kl至k4，輸出信號(hào)值￥爾》，其與根據(jù)表達(dá)式1爾。*-1^2/^1*￥(1^)”獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為在 X軸方向上施加的力Fx的檢測(cè)值；以及 信號(hào)值V (Fy)，其與根據(jù)表達(dá)式“V (Fy) *-k4/k3 · V (Mx)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為在 Y軸方向上施加的力Fy的檢測(cè)值。(39)本發(fā)明的第三十九特征在于第三十五特征至第三十八特征中的任何一個(gè)特 征的力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V(Fz)，其與“第一至第四X軸傳感器的檢測(cè)值之和”、“第一至第四Y軸傳 感器的檢測(cè)值之和”、或“第一至第四X軸傳感器的檢測(cè)值之和與第一至第四Y軸傳感器的 檢測(cè)值之和的總和”相對(duì)應(yīng)，作為在Z軸方向上施加的力Fz的檢測(cè)值。(40)本發(fā)明的第四十特征在于第三十五特征至第三十九特征中的任何一個(gè)特征 的力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V(Mz)，與“第一 X軸傳感器的檢測(cè)值與第二 X軸傳感器的檢測(cè)值之間的 差”、“第四X軸傳感器的檢測(cè)值與第三X軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”、“第二 Y軸傳感器的 檢測(cè)值與第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”、以及“第三Y軸傳感器的檢測(cè)值與第四Y軸 傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相對(duì)應(yīng)，作為圍繞Z軸施加的力矩Mz的檢測(cè)值。(41)本發(fā)明的第四十一特征在于第十九特征至第四十特征中的任何一個(gè)特征的 力檢測(cè)裝置，其中，
21
每個(gè)傳感器由電容元件構(gòu)成，電容元件包括形成于下膜部或下結(jié)構(gòu)體上的位移 電極、以及固定至與位移電極相對(duì)的位置處的固定電極。(42)本發(fā)明的第四十二特征在于第十九特征至第三十特征中的任何一個(gè)特征的 力檢測(cè)裝置，其中，第一 X軸傳感器由第一 X軸電容元件構(gòu)成，第一 X軸電容元件包括形成于第一 X 軸下膜部上的第一 X軸位移電極；以及固定至與第一 X軸位移電極相對(duì)的位置處的第一 X 軸固定電極，第二 X軸傳感器由第二 X軸電容元件構(gòu)成，第二 X軸電容元件包括形成于第二 X 軸下膜部上的第二 X軸位移電極；以及固定至與第二 X軸位移電極相對(duì)的位置處的第二 X 軸固定電極，第三X軸傳感器由第三X軸電容元件構(gòu)成，第三X軸電容元件包括形成于第三X 軸下膜部上的第三X軸位移電極；以及固定至與第三X軸位移電極相對(duì)的位置處的第三X 軸固定電極，第四X軸傳感器由第四X軸電容元件構(gòu)成，第四X軸電容元件包括形成于第四X 軸下膜部上的第四X軸位移電極；以及固定至與第四X軸位移電極相對(duì)的位置處的第四X 軸固定電極，第一 Y軸傳感器由第一 Y軸電容元件構(gòu)成，第一 Y軸電容元件包括形成于第一 Y 軸下膜部上的第一 Y軸位移電極；以及固定至與第一 Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第一 Y 軸固定電極，第二 Y軸傳感器由第二 Y軸電容元件構(gòu)成，第二 Y軸電容元件包括形成于第二 Y 軸下膜部上的第二 Y軸位移電極；以及固定至與第二 Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第二 Y 軸固定電極，第三Y軸傳感器由第三Y軸電容元件構(gòu)成，第三Y軸電容元件包括形成于第三Y 軸下膜部上的第三Y軸位移電極；以及固定至與第三Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第三Y 軸固定電極，第四Y軸傳感器由第四Y軸電容元件構(gòu)成，第四Y軸電容元件包括形成于第四Y 軸下膜部上的第四Y軸位移電極；以及固定至與第四Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第四Y 軸固定電極，并且檢測(cè)器輸出基于以下值而獲得的電信號(hào)作為檢測(cè)值第一 X軸電容元件的靜態(tài)電 容波動(dòng)值Cxi、第二 X軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx2、第三X軸電容元件的靜態(tài)電容波 動(dòng)值Cx3、第四X軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx4、第一 Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值 Cyl、第二 Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy2、第三Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy3、 第四Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy4。(43)本發(fā)明的第四十三特征在于第四十二特征的力檢測(cè)裝置，其中，下基板由導(dǎo)電材料制成，并且第一至第四X軸下膜部本身分別用作第一至第四X 軸位移電極，且第一至第四Y軸下膜部本身分別用作第一至第四Y軸位移電極。(44)本發(fā)明的第四十四特征在于第四十二特征或第四十三特征的力檢測(cè)裝置，進(jìn) 一步包括牢固地固定至下基板的下表面的輔助基板，其中，
在輔助基板的上表面上位于第一至第四X軸下膜部下方的位置形成有第一至第 四X軸輔助凹槽，并且在輔助基板的上表面上位于第一至第四Y軸下膜部下方的位置形成 有第一至第四Y軸輔助凹槽，并且在第一至第四X軸輔助凹槽的底面上形成有第一至第四X軸固定電極，并且在第 一至第四Y軸輔助凹槽的底面上形成有第一至第四Y軸固定電極。(45)本發(fā)明的第四十五特征在于第四十二特征或第四十三特征的力檢測(cè)裝置，進(jìn) 一步包括牢固地固定至下基板的下表面的輔助基板，其中，在輔助基板的上表面上形成有環(huán)形輔助凹槽，該環(huán)形輔助凹槽將第一至第四X軸 下膜部下方的位置與第一至第四Y軸下膜部下方的位置連結(jié)，并且在環(huán)形輔助凹槽的底面 上形成第一至第四X軸固定電極和第一至第四Y軸固定電極。(46)本發(fā)明的第四十六特征在于第四十二特征或第四十三特征的力檢測(cè)裝置，其 中，一間隔件牢固地固定于下基板的下表面上的除了第一至第四X軸下膜部和第一 至第四Y軸下膜部以外的預(yù)定位置，一輔助基板牢固地固定在間隔件的下方，并且在輔助 基板的上表面上形成第一至第四X軸固定電極和第一至第四Y軸固定電極。(47)本發(fā)明的第四十七特征在于第三十二特征的力檢測(cè)裝置，進(jìn)一步包括固定在下結(jié)構(gòu)體下方預(yù)定距離的輔助基板，其中，第一 X軸傳感器由第一 X軸電容元件構(gòu)成，第一 X軸電容元件包括形成于延伸至 與第一 X軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上的第一 X軸位移電極、以及在輔助基 板的上表面上固定至與第一 X軸位移電極相對(duì)的位置處的第一 X軸固定電極，第二 X軸傳感器由第二 X軸電容元件構(gòu)成，第二 X軸電容元件包括形成于延伸至 與第二 X軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上的第二 X軸位移電極、以及在輔助基 板的上表面上固定至與第二 X軸位移電極相對(duì)的位置處的第二 X軸固定電極，第三X軸傳感器由第三X軸電容元件構(gòu)成，第三X軸電容元件包括形成于延伸至 與第三X軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上的第三X軸位移電極、以及在輔助基 板的上表面上固定至與第三X軸位移電極相對(duì)的位置處的第三X軸固定電極，第四X軸傳感器由第四X軸電容元件構(gòu)成，第四X軸電容元件包括形成于延伸至 與第四X軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上的第四X軸位移電極、以及在輔助基 板的上表面上固定至與第四X軸位移電極相對(duì)的位置處的第四X軸固定電極，第一 Y軸傳感器由第一 Y軸電容元件構(gòu)成，第一 Y軸電容元件包括形成于延伸至 與第一 Y軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上的第一 Y軸位移電極、以及在輔助基 板的上表面上固定至與第一 Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第一 Y軸固定電極，第二 Y軸傳感器由第二 Y軸電容元件構(gòu)成，第二 Y軸電容元件包括形成于延伸至 與第二 Y軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上的第二 Y軸位移電極、以及在輔助基 板的上表面上固定至與第二 Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第二 Y軸固定電極，第三Y軸傳感器由第三Y軸電容元件構(gòu)成，第三Y軸電容元件包括形成于延伸至 與第三Y軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上的第三Y軸位移電極、以及在輔助基 板的上表面上固定至與第三Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第三Y軸固定電極，
第四Y軸傳感器由第四Y軸電容元件構(gòu)成，第四Y軸電容元件包括形成于延伸至 與第四Y軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上的第四Y軸位移電極、以及在輔助基 板的上表面上固定至與第四Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第四Y軸固定電極，并且檢測(cè)器輸出基于以下值而獲得的電信號(hào)作為檢測(cè)值第一 X軸電容元件的靜態(tài)電 容波動(dòng)值Cxi、第二 X軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx2、第三X軸電容元件的靜態(tài)電容波 動(dòng)值Cx3、第四X軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx4、第一 Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值 Cyl、第二 Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy2、第三Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy3、 第四Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy4。(48)本發(fā)明的第四十八特征在于第四十七特征的力檢測(cè)裝置，其中，下結(jié)構(gòu)體由導(dǎo)電材料制成，并且分支部本身分別用作第一至第四X軸位移電極和 第一至第四Y軸位移電極。(49)本發(fā)明的第四十九特征在于第四十八特征的力檢測(cè)裝置，其中，在輔助表面的上表面上與分支部的末端部(tip end portions)相對(duì)的位置處設(shè) 置與固定電極電絕緣的接觸判定電極，以基于分支部的末端部與接觸判定電極之間的電連 續(xù)狀態(tài)判定分支部的末端部與接觸判定電極是否彼此物理接觸。(50)本發(fā)明的第五十特征在于第四十九特征的力檢測(cè)裝置，其中，在與一分支部的端部相對(duì)的位置處設(shè)置有彼此絕緣的一對(duì)接觸判定電極，以基于 這對(duì)接觸判定電極之間的電連續(xù)狀態(tài)判定分支部的末端部與這對(duì)接觸判定電極是否彼此 物理接觸。(51)本發(fā)明的第五十一特征在于第四十八特征的力檢測(cè)裝置，其中，在輔助基板的上表面上連結(jié)與各分支部的末端部相對(duì)的位置接合的環(huán)形區(qū)域中， 設(shè)置有與固定電極電絕緣的接觸判定環(huán)形電極，以基于分支部的末端部與接觸判定環(huán)形電 極之間的電連續(xù)狀態(tài)判定分支部的末端部與接觸判定環(huán)形電極是否彼此物理接觸。(52)本發(fā)明的第五十二特征在于第五十一特征的力檢測(cè)裝置，其中，在環(huán)形區(qū)域中，設(shè)置有彼此絕緣且彼此同心的一對(duì)接觸判定環(huán)形電極，以基于這 對(duì)接觸判定環(huán)形電極之間的電連續(xù)狀態(tài)判定分支部的末端部與這對(duì)接觸判定環(huán)形電極是 否彼此物理接觸。(53)本發(fā)明的第五十三特征在于第四十九特征至第五十二特征中的任何一個(gè)特 征的力檢測(cè)裝置，其中，由接觸判定電極或接觸判定環(huán)形電極與分支部之間的物理接觸形成的導(dǎo)電路徑 構(gòu)成將每個(gè)位移電極與檢測(cè)器電連接的接線路徑。(54)本發(fā)明的第五十四特征在于第四十二特征至第五十三特征中的任何一個(gè)特 征的力檢測(cè)裝置，其中，第一 X軸柱狀件在XY平面上的正交投影圖像和第一 Y軸柱狀件在XY平面上的正 交投影圖像位于XY坐標(biāo)系的第一象限中，第三X軸柱狀件在XY平面上的正交投影圖像和第二 Y軸柱狀件在XY平面上的正 交投影圖像位于XY坐標(biāo)系的第二象限中，第四X軸柱狀件在XY平面上的正交投影圖像和第四Y軸柱狀件在XY平面上的正 交投影圖像位于XY坐標(biāo)系的第三象限中，并且
第二 X軸柱狀件在XY平面上的正交投影圖像和第三Y軸柱狀件在XY平面上的正 交投影圖像位于XY坐標(biāo)系的第四象限中，第一至第四X軸柱狀件傾斜，從而上端變得比下端更靠近XZ平面，第一至第四Y軸柱狀件傾斜，從而上端變得比下端更靠近YZ平面，并且由“第一至第四X軸柱狀件”、“第一至第四Y軸柱狀件”、“上基板或上結(jié)構(gòu)體”、以 及“下基板或下結(jié)構(gòu)體”構(gòu)成的主結(jié)構(gòu)體關(guān)于XZ平面對(duì)稱，并且關(guān)于YZ平面也對(duì)稱。(55)本發(fā)明的第五十五特征在于第五十四特征的力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器輸出信號(hào)值V (Fx廣其與根據(jù)表達(dá)式“(Cyl-Cy2) + (Cy3-Cy4) ”獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為在 X軸方向上施加的力Fx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V (Fy) 其與根據(jù)表達(dá)式“(Cx l_Cx2) + (Cx3-Cx4)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為 在Y軸方向上施加的力Fy的檢測(cè)值。(56)本發(fā)明的第五十六特征在于第五十五特征的力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V (Mx)，其與根據(jù)表達(dá)式“(Cy3+Cy4) - (Cyl+Cy2)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為圍 繞X軸施加的力矩Mx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V (My)，其與根據(jù)表達(dá)式“(Cxl+Cx2) - (Cx3+Cx4)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為圍 繞Y軸施加的力矩My的檢測(cè)值。(57)本發(fā)明的第五十七特征在于第五十四特征的力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器輸出信號(hào)值V (Mx)，其與根據(jù)表達(dá)式“(Cy3+Cy4) - (Cyl+Cy2)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為圍 繞X軸施加的力矩Mx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V (My)，其與根據(jù)表達(dá)式“(Cxl+Cx2) - (Cx3+Cx4)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為圍 繞Y軸施加的力矩My的檢測(cè)值。(58)本發(fā)明的第五十八特征在于第五十七特征的力檢測(cè)裝置，其中，通過使用預(yù)定系數(shù)kl至k4，檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V (Fx)，其與根據(jù)表達(dá)式 “(Cy 1-Cy2) + (Cy3_Cy4) _k2/kl · V (My)，，獲得的值 相對(duì)應(yīng)，作為在X軸方向上施加的力Fx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V (Fy)，其與根據(jù)表達(dá)式 “(Cxl-Cx2) + (Cx3-Cx4) _k4/k3 · V (Mx)，，獲得的值 相對(duì)應(yīng)，作為在Y軸方向上施加的力Fy的檢測(cè)值。(59)本發(fā)明的第五十九特征第五十五特征至第五十八特征中的任何一個(gè)特征的 力檢測(cè)裝置，其中，檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V(Fz),其與根據(jù)表達(dá)式"-(Cxl+Cx2+Cx3+Cx4+Cyl+Cy2+Cy3+Cy4)” 或‘‘-(Cxl+Cx2+Cx3+Cx4) ” 或‘‘-(Cyl+Cy2+Cy3+Cy4) ”獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為在Z軸方向上施加的力Fz的檢測(cè)值。(60)本發(fā)明的第六十特征在于第五十五特征至第五十九特征中的任何一個(gè)特征 的力檢測(cè)裝置，其中，
檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V(Mz)，其與根據(jù)表達(dá)式“(CXl-CX2) + (CX4-CX3) + (Cy2-Cyl) + (Cy3-Cy4)，， 獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為圍繞Z軸方向施加的力矩Mz的檢測(cè)值。(61)本發(fā)明的第六十一特征在于第一特征至第六十特征中的任何一個(gè)特征的力 檢測(cè)裝置，其中，將柱狀件的一部分或整體設(shè)置成具有撓性，從而當(dāng)施加外力時(shí)，柱狀件變形。(62)本發(fā)明的第六十二特征在于第六十一特征的力檢測(cè)裝置，其中，在柱狀件的一部分上形成具有撓性的收縮部，從而當(dāng)施加外力時(shí)，柱狀件根據(jù)收 縮部的變形而彎曲。(63)本發(fā)明的第六十三特征在于第六十一特征的力檢測(cè)裝置，其中，整個(gè)柱狀件由具有撓性的材料制成，從而當(dāng)施加外力時(shí)，整個(gè)柱狀件變形。構(gòu)造本發(fā)明的力檢測(cè)裝置，從而跨過上基板(上結(jié)構(gòu)體)與下基板(下結(jié)構(gòu)體) 之間設(shè)置一對(duì)柱狀件，并且這對(duì)柱狀件相對(duì)于垂直軸線互相相對(duì)地傾斜，因此，可測(cè)量“柱 狀件的傾斜狀態(tài)”作為“在垂直方向上施加的力”。因此，作為用于測(cè)量柱狀件的傾斜狀態(tài) 的傳感器，準(zhǔn)備能夠檢測(cè)“在垂直方向上施加的力”的傳感器。例如，當(dāng)利用使用電容元件 的傳感器時(shí)，對(duì)一個(gè)柱狀件設(shè)置一個(gè)電容元件。因此，可實(shí)現(xiàn)具有非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)的力檢測(cè)
直ο
圖1是示出了使用傳統(tǒng)提出的柱狀件的力檢測(cè)裝置的基本結(jié)構(gòu)的分解透視圖。圖2A是示出了由圖1所示的力檢測(cè)裝置檢測(cè)X軸方向上的力Fx的檢測(cè)原理的縱 向截面圖，示出了沿著XZ平面切開的截面中的此裝置。圖2B是示出了由圖1所示的力檢測(cè)裝置檢測(cè)X軸方向上的力Fx的檢測(cè)原理的另 一縱向截面圖，示出了沿著XZ平面切開的截面中的此裝置。圖3A是示出了由本發(fā)明基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置檢測(cè)X軸方向上的力Fx的檢 測(cè)原理的縱向截面圖。圖3B是示出了由本發(fā)明基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置檢測(cè)X軸方向上的力Fx的檢 測(cè)原理的另一縱向截面圖。圖4A是示出了由本發(fā)明基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置檢測(cè)Z軸方向上的力Fz的檢 測(cè)原理的縱向截面圖。圖4B是示出了由本發(fā)明基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置檢測(cè)Z軸方向上的力Fz的檢 測(cè)原理的另一縱向截面圖。圖5是示出了這樣一種狀態(tài)的縱向截面圖當(dāng)在本發(fā)明基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝 置中的柱狀件與膜部之間插入凸起時(shí)，各零件未裝配。圖6是示出了通過使用圖5所示的零件來裝配的力檢測(cè)裝置的縱向截面圖(檢測(cè) 電路部分以方框示出)。圖7是示出了這樣一種狀態(tài)的正視圖本發(fā)明的實(shí)踐實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置的各 構(gòu)成元件未裝配。圖8是示出了本發(fā)明的實(shí)踐實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置的正視圖(檢測(cè)電路部分以方
26框示出)。圖9是圖8所示的力檢測(cè)裝置的俯視圖(陰影部分示出了為了描述方便而定義的 八個(gè)區(qū)域)。圖10是作為圖8所示的力檢測(cè)裝置的構(gòu)成元件的上基板100的俯視圖。圖11是縱向截面圖。圖11的㈧、⑶和(C)分別是圖10所示的上基板100的 沿著切割線A-A、B-B和C-C切開的縱向截面圖。圖12是作為圖8所示的力檢測(cè)裝置的構(gòu)成元件的下基板200的俯視圖。圖13是縱向截面圖。圖13的㈧、⑶和(C)分別是圖12所示的下基板200的 沿著切割線A-A、B-B和C-C切開的縱向截面圖。圖14是作為圖8所示的力檢測(cè)裝置的構(gòu)成元件的輔助基板300的俯視圖。圖15是縱向截面圖。圖15的㈧、⑶和(C)分別是圖14所示的輔助基板300 的沿著切割線A-A、B-B和C-C切開的縱向截面圖。圖16是圖8所示的力檢測(cè)裝置的沿著XZ平面切開的縱向截面圖。圖17是圖8所示的力檢測(cè)裝置的沿著圖10、圖12和圖14所示的切割線A-A切開 的縱向截面圖。圖18是圖8所示的力檢測(cè)裝置的沿著圖10、圖12和圖14所示的切割線B-B切開 的縱向截面圖。圖19是圖8所示的力檢測(cè)裝置的沿著圖10、圖12和圖14所示的切割線C-C切開 的縱向截面圖。圖20是示出了圖8所示的力檢測(cè)裝置中的上膜部與下膜部的位置關(guān)系的平面圖。圖21是示出了圖8所示的力檢測(cè)裝置中的下基板200和附接至下基板200上表 面的八個(gè)柱狀件的平面圖(陰影部分示出了柱狀件的上端面)。圖22是示出了僅由力+Fx導(dǎo)致圖8所示的力檢測(cè)裝置變形的結(jié)構(gòu)實(shí)例的正視圖。圖23是示出了僅由力+Fz導(dǎo)致圖8所示的力檢測(cè)裝置變形的結(jié)構(gòu)實(shí)例的正視圖 (在截面中示出了引導(dǎo)件450)。圖24是示出了僅由力矩+My導(dǎo)致圖8所示的力檢測(cè)裝置變形的方式的正視圖。圖25是示出了僅由力矩+Mz導(dǎo)致變形的圖8所示的力檢測(cè)裝置的俯視圖。圖26是示出了當(dāng)對(duì)圖8所示的力檢測(cè)裝置施加六個(gè)分量(在相應(yīng)坐標(biāo)軸方向上 的分力Fx、Fy和Fz，以及圍繞相應(yīng)坐標(biāo)軸的分力矩Mx、My和Mz)時(shí)電容元件的電容值變化 的表。圖27是示出了用來檢測(cè)圖8所示的力檢測(cè)裝置中的六個(gè)力分量Fx、Fy、FZ、Mx、My 和Mz的表達(dá)式的視圖。圖28是示出了在圖8所示的力檢測(cè)裝置中出現(xiàn)的其他軸干涉的圖。圖29是示出了用來通過補(bǔ)償圖28所示的其他軸干涉而獲得精確檢測(cè)值的表達(dá)式 的視圖。圖30是示出了圖10的上基板的示例性變型的俯視圖。圖31是示出了圖12的下基板的示例性變型的俯視圖。圖32是示出了圖14的輔助基板的示例性變型的俯視圖。圖33是示出了本發(fā)明示例性變型的使用撓性基板的力檢測(cè)裝置的正視圖。
圖34是圖33所示的力檢測(cè)裝置中的上基板(撓性基板)150和下基板(撓性基 板)250的透視圖。圖35是示出了圖33所示的力檢測(cè)裝置中的下基板250和附接至下基板250上表 面的八個(gè)柱狀件的平面圖(陰影部分示出了柱狀件的上端面)。圖36是示出了代替圖34所示的上基板(撓性基板)150和下基板(撓性基板)250 而使用的上基板(撓性基板)160和下基板(撓性基板)260的俯視圖。圖37是示出了在本發(fā)明中使用的柱狀件的示例性變型的透視圖。圖38是示出了本發(fā)明示例性變型的使用圖37所示柱狀件的力檢測(cè)裝置的縱向截 面圖。圖39是示出了本發(fā)明示例性變型的使用由具有撓性的材料制成的柱狀件的力檢 測(cè)裝置的縱向截面圖。圖40是示出了本發(fā)明另一示例性變型的使用由具有撓性的材料制成的柱狀件的 力檢測(cè)裝置的正視圖。圖41是代替圖33所示力檢測(cè)裝置中的下基板250而使用的下結(jié)構(gòu)體280的俯視圖。圖42是示出了代替圖33所示力檢測(cè)裝置中的輔助基板340而使用的輔助基板 380的俯視圖(陰影部分并非示出橫截面，而是示出了電極形狀)。圖43是示出了使用圖41所示的下結(jié)構(gòu)體280和圖42所示的輔助基板380的示 例性變型的縱向截面圖(沿著XZ平面切開的截面圖)。圖44是示出了圖43所示的示例性變型容納于裝置殼體中的狀態(tài)的縱向截面圖。圖45是示出了圖42所示輔助基板380的第一示例性變型的俯視圖(陰影部分并 非示出橫截面，而是示出了電極形狀)。圖46是示出了圖42所示輔助基板380的第二示例性變型的俯視圖(陰影部分并 非示出橫截面，而是示出了電極形狀)。圖47是示出了圖42所示輔助基板380的第三示例性變型的俯視圖(陰影部分并 非示出橫截面，而是示出了電極形狀)。圖48是示出了圖42所示輔助基板380的第四示例性變型的俯視圖(陰影部分并 非示出橫截面，而是示出了電極形狀)。圖49是和圖41所示下結(jié)構(gòu)體280的示例性變型有關(guān)的下基板290的俯視圖。圖50是和圖42所示輔助基板380的示例性變型有關(guān)的輔助基板390的俯視圖 (陰影部分并非示出橫截面，而是示出了電極形狀)。
具體實(shí)施例方式在下文中，將基于圖中所示的實(shí)施方式描述本發(fā)明?！兜谝徊糠帧肥褂脗鹘y(tǒng)提出的 柱狀件的力檢測(cè)裝置首先，將簡(jiǎn)要描述在每篇上述專利文獻(xiàn)中公開的使用柱狀件的力檢測(cè)裝置的基本 結(jié)構(gòu)和基本檢測(cè)原理。圖1是示出了這種傳統(tǒng)力檢測(cè)裝置的基本結(jié)構(gòu)的分解透視圖。如所示出的，此裝 置包括上基板10、下基板20、輔助基板30、第一柱狀件41和第二柱狀件42。在上基板10的
28下表面上，形成有第一上凹槽Gl和第二上凹槽G2 (兩個(gè)凹槽均是圓形的)，并且這些凹槽的 底部形成第一上膜部11和第二上膜部12，這兩部分由于其薄度而具有撓性。另一方面，在 下基板20的上表面上，形成有第一下凹槽Hl和第二下凹槽H2 (兩個(gè)凹槽均是圓形的)，并 且這些凹槽的底部形成第一下膜部21和第二下膜部22，這兩部分由于其薄度而具有撓性。這里提到的術(shù)語“撓性”表示“彈性變形的性質(zhì)”，該性質(zhì)響應(yīng)于外力作用而導(dǎo)致變 形然后在去除外力之后導(dǎo)致恢復(fù)。在本發(fā)明的應(yīng)用中，“具有撓性”表示“導(dǎo)致充分變形以 獲得所施加外力的有效檢測(cè)值”。因此，嚴(yán)格地說，通過施加外力，圖1所示的上基板10和 下基板20的沒有凹槽的部分也可能變形，然而，與凹槽底部的變形相比，此變形非常小。因 此，在本發(fā)明的應(yīng)用中所描述的具有“撓性”的部分是薄的上膜部11和12以及下膜部21和 22。圖1是示出了此裝置的各零件未裝配的狀態(tài)的分解透視圖，然而，實(shí)際上，第一柱 狀件41的上端接合至第一上膜部11的中心，且下端接合至第一下膜部21的中心。類似地， 第二柱狀件42的上端接合至第二上膜部12的中心，且下端接合至第二下膜部22的中心。 在圖1中，柱狀件41和42與基板10和20的接合位置由交替的長短虛線表示。柱狀件41 和42是圓柱形的柱狀件，并且這些柱狀件布置成使得它們的中心軸線變得垂直于基板10 和20。最終，上基板10和下基板20通過兩個(gè)柱狀件41和42彼此接合。然而，接合部分 形成由于其薄度而具有撓性的膜部(隔膜)，并且根據(jù)膜部的翹曲(warping)，允許柱狀件 41和42位移。因此，在下基板20被固定的狀態(tài)下，當(dāng)對(duì)上基板10施加外力時(shí)，柱狀件41 和42位移，并且上基板10相對(duì)于下基板20位移。在力檢測(cè)裝置的此檢測(cè)原理中，基于柱 狀件41和42的位移來檢測(cè)所施加的外力。輔助基板30是固定在下基板20下方預(yù)定距離的絕緣基板，并且在輔助基板30的 上表面上，形成有四個(gè)半圓形固定電極El至E4。這里，一對(duì)固定電極El和E2與第一下膜 部21相對(duì)，而一對(duì)固定電極E3和E4與第二下膜部22相對(duì)。通過用導(dǎo)電材料制造下基板 20，第一下膜部21和第二下膜部22用作盤形位移電極。因此，由第一下膜部21的左半部和與此左半部相對(duì)的固定電極El形成第一電容 元件Cl，并且由第一下膜部21的右半部和與此右半部相對(duì)的固定電極E2形成第二電容元 件C2。類似地，由第二下膜部22的左半部和與此左半部相對(duì)的固定電極E3形成第三電容 元件C3，并且由第二下膜部22的右半部和與此右半部相對(duì)的固定電極E4形成第四電容元 件C4。這些電容元件Cl至C4用作檢測(cè)柱狀件41和42的位移的傳感器。這里，為了方便起見，如所示出的定義XYZ三維坐標(biāo)系。在穿過三個(gè)基板10、20和 30的中心位置的位置處定義Z軸，Z軸與上基板10的上表面形成交點(diǎn)Q10，與下基板20的 上表面形成交點(diǎn)Q20，且與輔助基板30的上表面形成交點(diǎn)Q30。另一方面，X軸和Y軸是平 行于基板表面的坐標(biāo)軸。例如，可在交點(diǎn)QlO、Q20和Q30的位置處定義坐標(biāo)系的原點(diǎn)0的位置，然而，這里 為了與后面描述的實(shí)施方式一致，將原點(diǎn)0設(shè)置在下基板20的下表面與輔助基板30的上 表面之間的中間位置處且位于Z軸上。三個(gè)基板10、20和30的基板表面(除了凹槽形成 部分以外的上表面和下表面)均平行于XY平面。圖2A和圖2B是示出了由圖1所示的力檢測(cè)裝置檢測(cè)X軸方向上的力Fx的檢測(cè)原理的縱向截面圖(沿著此裝置的XZ平面切開的截面圖)。圖2A是當(dāng)從前面觀察通過組 合圖1所示零件而構(gòu)造的裝置時(shí)的縱向截面圖，并且示出了不對(duì)裝置施加外力的狀態(tài)。通 過未示出的支撐件將下基板20和輔助基板30固定至所示位置。另一方面，如不施加外力 的狀態(tài)下所示出的，上基板10位于下基板20的正上方。此時(shí)，柱狀件41和42的中心軸線 平行于Z軸。然而，當(dāng)施加外力時(shí)，膜部11、12、21和22翹曲，柱狀件41和42位移，并且上基板 10本身也位移。圖2B示出了當(dāng)對(duì)設(shè)置在上基板10重心位置處的施力點(diǎn)Q施加沿X軸正方 向的力+Fx時(shí)的位移狀態(tài)。如所示出的，兩個(gè)柱狀件41和42在X軸正方向(圖中向右的 方向)上傾斜，并且上基板10向右位移。所施加的力+Fx越大，柱狀件41和42的傾斜角 度越大。當(dāng)施加沿X軸負(fù)方向的力-Fx時(shí)，柱狀件41和42在X軸負(fù)方向(圖中向左的方 向)上傾斜，并且上基板10向左位移，與圖中相反。這里，當(dāng)將柱狀件41和42的中心軸線分別定義為Al和A2時(shí)，如圖2A所示，在不 施加外力的狀態(tài)下，中心軸線Al和A2與豎直參考軸線Rl和R2 (平行于Z軸的軸)一致。 因此，當(dāng)將中心軸線Al相對(duì)于豎直參考軸線Rl的傾斜角度定義為θ 1且將中心軸線Α2相 對(duì)于豎直參考軸線R2的傾斜角度定義為θ 2時(shí)，θ 1 = θ 2 = 0。然而如圖2Β所示，當(dāng)對(duì)施力點(diǎn)Q施加外力+Fx時(shí)，中心軸線Al和Α2在X軸正方 向(圖中向右的方向)上傾斜，傾斜角度Θ1和Θ2±曾大。例如，在圖中，當(dāng)相對(duì)于豎直參 考軸線Rl和R2沿順時(shí)針方向定義傾斜角度θ 1和θ 2時(shí)，如果施加外力+Fx，那么傾斜角 度Θ1和θ 2變成正值。相反，當(dāng)施加外力-Fx時(shí)，中心軸線Al和Α2在X軸負(fù)方向(圖中 向左的方向)上傾斜，從而傾斜角度θ 1和θ 2變成負(fù)值。因此，當(dāng)可測(cè)量傾斜角度θ 1和 θ 2時(shí)，那么可檢測(cè)在X軸方向上施加的外力Fx的方向和大小。在所示裝置中，可從四個(gè)電容元件Cl至C4的靜態(tài)電容值(由與電容元件Cl至C4 的參考標(biāo)號(hào)相同的參考標(biāo)記表示)掌握傾斜角度Θ1和θ 2的變化。例如，當(dāng)將圖2Β所示 的狀態(tài)與圖2Α所示的狀態(tài)相比時(shí)，固定電極El與下膜部21的左半部(位移電極)之間的 距離增大，從而靜態(tài)電容值Cl減小，并且固定電極Ε2與下膜部21的右半部(位移電極)之 間的距離減小，從而靜態(tài)電容值C2增大。因此，可獲得柱狀件41的傾斜角度θ 1作為電容 值差“C2-C1”。類似地，固定電極Ε3與下膜部22的左半部(位移電極)之間的距離增大， 從而靜態(tài)電容值C3減小，并且固定電極Ε4與下膜部22的右半部(位移電極)之間的距離 減小，從而靜態(tài)電容值C4增大。因此，能夠以電容值差“C4-C3”獲得柱狀件42的傾斜角度 θ 2。因此，與傾斜角度θ 1和θ 2之和對(duì)應(yīng)的值“ (C2-C1) + (C4-C3) ”可用作在X軸方向上 施加的外力Fx的檢測(cè)值。這里，為了便于描述，示出了利用兩個(gè)柱狀件41和42檢測(cè)X軸方向上的力Fx的 簡(jiǎn)單實(shí)例，然而，上述專利文獻(xiàn)公開了一種提供大量柱狀件的方法，并且，通過測(cè)量各個(gè)柱 狀件在X軸正負(fù)方向上的傾斜和在Y軸正負(fù)方向上的傾斜，可檢測(cè)六個(gè)分量(相應(yīng)坐標(biāo)軸 方向上的分力Fx、Fy和Fz以及圍繞坐標(biāo)軸的分力矩Mx、My和Mz)。然而，在此傳統(tǒng)力檢測(cè)裝置中，為了測(cè)量柱狀件的特定方向上的傾斜角度，彼此獨(dú) 立的傳感器是必需的，因而如上所述，整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。例如，當(dāng)使用電容元件作 為傳感器時(shí)，為了測(cè)量一個(gè)柱狀件在X軸方向上的傾斜角度，兩個(gè)電容元件是必需的，并且 為了測(cè)量在X和Y軸方向上的傾斜角度，四個(gè)電容元件是必需的。
《第二部分》本發(fā)明基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置本發(fā)明最重要的點(diǎn)是“使連接上基板和下基板的一對(duì)柱狀件互相相對(duì)地傾斜”的 理念。具體地，在上述專利文獻(xiàn)中公開的技術(shù)中，假設(shè)在不施加外力的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，柱狀件 垂直于下基板的基板表面。例如，在圖2A所示的實(shí)例中，上基板10和下基板20設(shè)置成使 得它們的基板表面變得平行于XY平面，并且第一柱狀件41和第二柱狀件42設(shè)置成使得它 們的中心軸線變得平行于Z軸。換句話說，在傳統(tǒng)裝置的情況下，將柱狀件41和42垂直地位于下表面20上的狀 態(tài)定義為參照物，并且通過測(cè)量柱狀件41和42如何從垂直狀態(tài)傾斜以及傾斜于什么方向， 來檢測(cè)所施加的外力。另一方面，在本發(fā)明中，假設(shè)在不施加外力的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下柱狀件相對(duì) 于下基板的基板表面傾斜，并且還假設(shè)一對(duì)柱狀件互相相對(duì)地傾斜。圖3A和圖3B是示出了由本發(fā)明基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置檢測(cè)X軸方向上的力 Fx的檢測(cè)原理的縱向截面圖(在沿著XZ平面切開的截面中)。與圖2A和圖2B所示的傳統(tǒng) 裝置相似，圖3A和圖3B所示基本實(shí)施方式的裝置包括上基板10、下基板20、輔助基板30、 第一柱狀件Pl和第二柱狀件P2。這里，圖3A示出了不施加外力的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。如所示出的，在上基板10的下表面上，形成有第一上凹槽Gl和第二上凹槽G2 (兩 個(gè)凹槽均是圓形的)，并且這些凹槽的底部形成第一上膜部11和第二上膜部12，這兩部分 由于其薄度而具有撓性。另一方面，在下基板20的上表面上，形成有第一下凹槽Hl和第二 下凹槽H2 (兩個(gè)凹槽均是圓形的)，并且這些凹槽的底部形成第一下膜部21和第二下膜部 22，這兩部分由于其薄度而具有撓性。第一柱狀件Pl的上端接合至第一上膜部11的中心， 且下端接合至第一下膜部21的中心。類似地，第二柱狀件P2的上端接合至第二上膜部12 的中心，且下端接合至第二下膜部22的中心。最終，上基板10和下基板20通過兩個(gè)圓柱形柱狀件Pl和P2彼此接合。然而，接 合部分形成由于其薄度而具有撓性的膜部(隔膜)，并且由于膜部的翹曲，允許柱狀件Pl和 P2位移。因此，在下基板20被固定的狀態(tài)下，當(dāng)對(duì)上基板10施加外力時(shí)，柱狀件Pl和P2 位移，并且上基板10相對(duì)于下基板20位移。此基本特征與第一部分中描述的傳統(tǒng)裝置的 基本特征完全相同，并且在本發(fā)明的裝置中，也基于柱狀件P1和P2的位移來檢測(cè)所施加的 外力。然而，如從圖3A的結(jié)構(gòu)與圖2A的結(jié)構(gòu)之間的比較所理解的，在本發(fā)明裝置的情況 下，兩個(gè)柱狀件Pl和P2在不施加外力的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是傾斜的。具體地，與第一部分中描述 的實(shí)例的情況一樣，當(dāng)定義所示XYZ三維坐標(biāo)系(其中，在穿過三個(gè)基板10、20和30的中心 位置的位置處設(shè)置Z軸，并且在下基板20的下表面與輔助基板30的上表面之間的中間位 置處且位于Z軸上設(shè)置原點(diǎn)0)時(shí)，三個(gè)基板10、20和30的基板表面變得平行于XY平面。 然而，兩個(gè)柱狀件Pl和P2的中心軸線Al和A2相對(duì)于豎直參考軸線Rl和R2傾斜。輔助基板30是固定在下基板20下方預(yù)定距離的絕緣基板，并且在輔助基板30的 上表面上，形成有兩個(gè)固定電極E5和E6。這里，固定電極E5是與第一下膜部21相對(duì)的盤 形電極，且固定電極E6是與第二下膜部22相對(duì)的盤形電極。通過用導(dǎo)電材料制造下基板 20，第一下膜部21和第二下膜部22用作盤形位移電極。因此，通過第一下膜部21和與第 一下膜部21相對(duì)的固定電極E5形成電容元件C5，并且通過第二下膜部22和與第二下膜部 22相對(duì)的固定電極E6形成電容元件C6。
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在此裝置中，在不施加外力的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，兩個(gè)柱狀件Pl和P2是傾斜的，從而柱 狀件Pl和P2的上端傾斜地連接至上膜部11和12，且下端傾斜地連接至下膜部21和22。 因此，在不施加外力的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，膜部11、12、21、22保持水平膜狀態(tài)，并且沒有導(dǎo)致翹曲 的應(yīng)力作用在這些膜上。因此，在此標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，靜態(tài)電容值C5 = C6。這里，重要的是，在圖3A所示的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，第一柱狀件Pl和第二柱狀件P2相對(duì) 于Z軸互相相對(duì)地傾斜。在所示實(shí)例中，第一柱狀件Pl相對(duì)于Z軸向右(在X軸正方向 上)傾斜，而另一方面，第二柱狀件P2相對(duì)于Z軸向左(在X軸負(fù)方向上)傾斜。具體地， 關(guān)注中心軸線Al和A2相對(duì)于豎直參考軸線Rl和R2的傾斜角度θ 1和θ 2，傾斜角度θ 1 和θ 2的符號(hào)彼此相反。在圖中，當(dāng)相對(duì)于豎直參考軸線Rl和R2沿順時(shí)針方向定義傾斜 角度Θ1和Θ2時(shí)，θ 1變成正值，而θ 2變成負(fù)值。在所示實(shí)例中，裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成變 得關(guān)于YZ平面對(duì)稱，因此θ 1和θ 2的絕對(duì)值彼此相等。在所示實(shí)例中，兩個(gè)柱狀件Pl和Ρ2是傾斜的，從而這兩個(gè)柱狀件之間的距離向上 變得更小(以倒V形傾斜)，然而，兩個(gè)柱狀件Pl和Ρ2可以傾斜成使得這兩個(gè)柱狀件之間 的距離向上變得更大(以V形傾斜)。這里的要求是，當(dāng)上基板10在圖中向右或向左移動(dòng) 時(shí)，增大兩個(gè)柱狀件Pl和Ρ2中的一個(gè)柱狀件的傾斜角度(沿放下方向位移)，并且減小另 一個(gè)柱狀件的傾斜角度(沿上升方向位移)。圖3Β示出了當(dāng)通過未示出的支撐件將此力檢測(cè)裝置的下基板20和輔助基板30 固定在所示位置，并且對(duì)設(shè)置在上基板10重心位置處的施力點(diǎn)Q施加沿X軸正方向的力 +Fx時(shí)的位移狀態(tài)。如所示出的，兩個(gè)柱狀件Pl和Ρ2的上端沿X軸正方向(圖中向右的 方向)移動(dòng)。因此，第一柱狀件Pl沿放下方向位移，并且傾斜角度θ 1的絕對(duì)值增大。然 而，第二柱狀件Ρ2沿上升方向位移，并且傾斜角度Θ2的絕對(duì)值減小。圖3Β示出了 Θ2 = 0并且第二柱狀件Ρ2的中心軸線Α2與豎直參考軸線R2 —致的狀態(tài)。這里，在圖3Β中，關(guān)注與第一柱狀件Pl的上部和下部接合的膜部11和21的變形 形式，這些部分變形，從而第一上膜部11被向下拉，且第一下膜部21被向上拉。這是由第 一柱狀件Pl沿放下方向的位移和沿豎直方向的有效尺寸的減小所導(dǎo)致的變形。另一方面， 關(guān)注與第二柱狀件Ρ2的上部和下部接合的膜部12和22的變形形式，這些部分變形，從而 第二上膜部12被向上推，且第二下膜部22被向下推。這是由第二柱狀件Ρ2沿上升方向的 位移和沿豎直方向的有效尺寸的增大所導(dǎo)致的變形。實(shí)際上，當(dāng)在下基板20和輔助基板30被固定且將上基板10設(shè)置為自由(僅由兩 個(gè)柱狀件Pl和Ρ2支撐)的情況下對(duì)施力點(diǎn)Q施加沿X軸方向的力+Fx時(shí)，如上所述，對(duì)第 一上膜部11施加力以將其向下拉，并且對(duì)第二上膜部12施加力以將其向上推，從而上基板 10產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)位移。然而，即使當(dāng)出現(xiàn)該旋轉(zhuǎn)位移時(shí)，膜部11、12、21、22的基本變形形 式仍如圖3Β所示。在所示裝置中，可從兩個(gè)電容元件C5和C6的靜態(tài)電容值(由與電容元件C5和C6 的參考標(biāo)號(hào)相同的參考標(biāo)號(hào)C5和C6表示)來掌握兩個(gè)柱狀件Pl和Ρ2的位移狀態(tài)。例如， 當(dāng)將圖3Β所示的狀態(tài)與圖3Α所示的狀態(tài)相比時(shí)，固定電極Ε5與下膜部21 (位移電極)之 間的距離增大，從而靜態(tài)電容值C5減小，并且固定電極Ε6與下膜部22 (位移電極)之間的 距離減小，從而靜態(tài)電容值C6增大。因此，能夠以電容值差“C6-C5”獲得對(duì)施力點(diǎn)Q施加 的沿X軸正方向的力+Fx。當(dāng)施加沿X軸負(fù)方向的力-Fx時(shí)，獲得與圖3B成鏡像關(guān)系的狀態(tài)，從而也能夠以電容值差“C6-C5”獲得力-Fx(在此情況下，獲得負(fù)值)。結(jié)果，通過考慮 符號(hào)，電容值差“C6-C5”可用作沿X軸方向施加的外力Fx的檢測(cè)值。當(dāng)施加大于圖3B所示狀態(tài)下的力+Fx時(shí)，第二柱狀件P2沿放下方向位移，并且電 容值C6開始減小，從而電容值差“C6-C5”不表示正確的檢測(cè)值。因此，在圖3B所示狀態(tài)下 施加的力+Fx是通過此裝置檢測(cè)的沿X軸正方向的力的額定檢測(cè)值。類似地，使第一柱狀 件Pl位移直到其垂直豎立的力-Fx是通過此裝置檢測(cè)的沿X軸負(fù)方向的力的額定檢測(cè)值。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)施加超過額定值的力時(shí)，為了避免錯(cuò)誤檢測(cè)，優(yōu)選地采取限制上基 板10位移的措施，例如，提供控制件。這種控制件對(duì)于防止膜部被施加超過額定值的力損 壞也是有用的。因此，在本發(fā)明中，采用這樣一種結(jié)構(gòu)在不施加外力的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，一對(duì)柱狀件 Pl和P2相互相對(duì)地傾斜，從而能夠測(cè)量“柱狀件Pl和P2的傾斜狀態(tài)”作為“沿垂直于基 板表面的方向施加的力”。這意味著可簡(jiǎn)化用于測(cè)量柱狀件傾斜狀態(tài)的傳感器的構(gòu)造。實(shí) 際上，在圖2A和圖2B所示傳統(tǒng)裝置的情況下，為了檢測(cè)力Fx，必須利用四個(gè)電容元件C 1 至C4來測(cè)量，然而，在圖3A和圖3B所示的本發(fā)明裝置的情況下，可通過利用兩個(gè)電容元件 C5和C6的測(cè)量來檢測(cè)力Fx。這樣做的原因是，因?yàn)榭蓛H通過測(cè)量下膜部21和22在Z軸 方向上的位移(在垂直于基板表面的方向上的位移)來識(shí)別柱狀件Pl和P2的傾斜狀態(tài)從 圖3A所示的狀態(tài)到圖3B所示的狀態(tài)的變化。此第二部分中描述的基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置不僅可檢測(cè)X軸方向上的力Fx， 而且可檢測(cè)施加至施力點(diǎn)Q的在Z軸方向上的力Fz。圖4A是示出了當(dāng)對(duì)此裝置的施力點(diǎn) Q施加沿Z軸正方向的力+Fz的狀態(tài)的縱向截面圖，且圖4B是示出了當(dāng)施加沿Z軸負(fù)方向 的力-Fx的狀態(tài)的縱向截面圖。 與圖3A所示的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)相比，如圖4A所示，當(dāng)施加力+Fz時(shí)，上基板10向上移動(dòng)， 并且下膜部21和22被向上拉。因此，電容元件C5和C6的電極-電極距離增大，因而它們 的電容值減小。另一方面，如圖4B所示，當(dāng)施加力-Fz時(shí)，上基板10向下移動(dòng)，并且下膜部 21和22被向下拉。因此，電容元件C5和C6的電極-電極距離減小，因而它們的電容值增大。因此，兩個(gè)電容元件C5和C6的電容值之和“(C5+C6) ”與Z軸方向上的力Fz的檢 測(cè)值相對(duì)應(yīng)。具體地，將圖3A所示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的值“(C5+C6)”定義為參考值，并且當(dāng)此值 變得更小時(shí)，這表示施加了沿Z軸正方向的力+Fz，并且當(dāng)此值變得更大時(shí)，這表示施加了 沿Z軸負(fù)方向的力-Fz。在圖3A至圖4B所示的裝置中，柱狀件Pl和P2的上端和下端直接接合至膜部11、 12,21和22，然而可通過在它們之間插入不同構(gòu)件來將其間接接合。圖5是示出了這樣一種狀態(tài)的縱向截面圖當(dāng)在本發(fā)明基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝 置中的柱狀件與膜部之間插入凸起時(shí)各零件未裝配的狀態(tài)。如所示出的，此裝置包括上基 板15、第一柱狀件P1、第二柱狀件P2、下基板25和輔助基板35。這里，在上基板15的下表面上，形成有第一上凹槽Gl和第二上凹槽G2 (兩個(gè)凹槽 均是圓形的)，并且與上述實(shí)施方式的情況一樣，這些凹槽的底部形成由于其薄度而具有撓 性的第一上膜部11和第二上膜部12。在下基板25的上表面上，形成有第一下凹槽Hl和第 二下凹槽H2 (兩個(gè)凹槽均是圓形的)，并且與上述實(shí)施方式的情況一樣，這些凹槽的底部形成由于其薄度而具有撓性的第一下膜部21和第二下膜部22。然而，在第一上凹槽Gl內(nèi)部，設(shè)置有圓柱形柱狀凸起13，其從凹槽底面(即，第一 上膜部11的下表面)向下延伸至基板表面位置，并且在第二上凹槽G2內(nèi)部，設(shè)置有圓柱形 柱狀凸起14，其從凹槽底面(即，第二上膜部12的下表面)向下延伸至基板表面位置。第 一柱狀件Pl的上端經(jīng)由凸起13間接接合至第一上膜部11，且第二柱狀件P2的上端經(jīng)由凸 起14間接接合至第二上膜部12。類似地，在第一下凹槽Hl內(nèi)部，設(shè)置有圓柱形柱狀凸起23，其從凹槽底面(即，第 一下膜部21的上表面)向上延伸至基板表面位置，并且在第二下凹槽H2內(nèi)部，設(shè)置有圓柱 形柱狀凸起24，其從凹槽底面(即，第二下膜部22的上表面)向上延伸至基板表面位置。 第一柱狀件Pl的下端經(jīng)由凸起23間接接合至第一下膜部21，且第二柱狀件P2的下端經(jīng)由 凸起24間接接合至第二下膜部22。此外，在由絕緣材料制成的輔助基板35的上表面上，在第一下膜部21下方的位置 處形成有第一輔助凹槽Kl (圓形凹槽)，并且在第二下膜部22下方的位置處形成有第二輔 助凹槽K2 (圓形凹槽)。在第一輔助凹槽Kl的底面上，形成有盤形第一固定電極E5，且在 第二輔助凹槽K2的底面上，形成有盤形第二固定電極E6。通過裝配這些零件，獲得圖6所示的力檢測(cè)裝置。柱狀件Pl和P2的上端分別接 合至凸起13和14的下表面，柱狀件Pl和P2的下端分別接合至凸起23和24的上表面，此 外，輔助基板35牢固地固定至下基板25的下表面。這里，下基板25由導(dǎo)電材料(例如，金 屬)制成，并且在下基板25的一個(gè)位置處，設(shè)置到檢測(cè)電路50的接線。固定電極E5和E6 也設(shè)置有到檢測(cè)電路50的接線。因此，通過采用在上基板15和下基板25的凹槽中提前形成凸起13、14、23、24的 結(jié)構(gòu)，僅通過將柱狀件Pl和P2的上端和下端接合至凸起13、14、23、24的暴露表面，可構(gòu)造 主結(jié)構(gòu)部分，從而裝配變得容易。如圖3A至圖4B所示，當(dāng)采用將柱狀件Pl和P2的上端和 下端設(shè)置在凹槽內(nèi)且將其直接接合至膜部的結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)柱狀件Pl和P2過度傾斜時(shí)其可能 與凹槽的邊緣接觸，然而，如圖5和圖6所示，通過采用將上端和下端經(jīng)由凸起13、14、23、24 間接接合的結(jié)構(gòu)，柱狀件Pl和P2設(shè)置在凹槽外面，從而可防止與凹槽邊緣的接觸。最終，本發(fā)明基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置的主要構(gòu)成元件是具有平行于XY平面 的基板表面的上基板10或15、具有平行于XY平面的基板表面且設(shè)置在上基板下方的下基 板20或25、具有直接或間接接合至上基板的下表面的上端和直接或間接接合至下基板的 上表面的下端的第一柱狀件P1、具有直接或間接接合至上基板的下表面的上端和直接或間 接接合至下基板的上表面的下端的第二柱狀件P2、以及基于第一柱狀件和第二柱狀件的位 移而輸出表示所施加力的電信號(hào)的檢測(cè)器50。這里，上基板10或15的第一柱狀件Pl上端所接合的接合部分附近構(gòu)成具有撓性 的第一上膜部11，第二柱狀件P2上端所接合的接合部分附近構(gòu)成具有撓性的第二上膜部 12，下基板20或25的第一柱狀件Pl下端所接合的接合部分附近構(gòu)成具有撓性的第一下膜 部21，并且第二柱狀件P2下端所接合的接合部分附近構(gòu)成具有撓性的第二下膜部22。設(shè)置在上基板10或15上的上凹槽Gl和G2并非必須設(shè)置在上基板的下表面?zhèn)?上，而是可設(shè)置在上表面?zhèn)壬稀．?dāng)在上表面?zhèn)壬显O(shè)置上凹槽Gl和G2時(shí)，由位于上基板10 或15下表面上的凹槽底部形成上膜部11和12。也就是說，也允許在上基板的上表面?zhèn)然蛳卤砻鎮(zhèn)壬显O(shè)置第一上凹槽Gl和第二上凹槽G2，由第一上凹槽Gl的底部形成第一上膜部 11，并且由第二上凹槽G2的底部形成第二上膜部12。類似地，設(shè)置在下基板20或25上的下凹槽Hl和H2并非必須設(shè)置在下基板的上 表面?zhèn)壬希强稍O(shè)置在下表面?zhèn)壬?。?dāng)在下表面?zhèn)壬显O(shè)置下凹槽Hl和H2時(shí)，由位于下基 板20或25上表面上的凹槽底部形成下膜部21和22。也就是說，也允許在下基板的上表面 側(cè)或下表面?zhèn)壬显O(shè)置第一下凹槽Hl和第二下凹槽H2，由第一下凹槽Hl的底部形成第一下 膜部21，并且由第二下凹槽H2的底部形成第二下膜部22。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，第一柱狀件Pl和第二柱狀件P2的布置條件很重要。 在上述圖3A至圖6所示的實(shí)例中，第一柱狀件Pl的中心軸線Al和第二柱狀件P2的中心 軸線A2位于XZ平面(與圖3A至圖6的紙張表面相對(duì)應(yīng)的平面)上，并且相對(duì)于Z軸相互 相對(duì)地傾斜。然而，中心軸線Al和A2并非必須在同一平面上?；谏鲜龌驹?，只要通過向 XZ平面上正交投影第一柱狀件Pl的中心軸線Al而獲得的投影圖像相對(duì)于Z軸在第一方向 上傾斜且通過向XZ平面上正交投影第二柱狀件P2的中心軸線A2而獲得的投影圖像相對(duì) 于Z軸在與第一方向相對(duì)的第二方向上傾斜，便能夠基于一對(duì)電容元件C5和C6的電容值 差“C6-C5”來檢測(cè)沿X軸方向的力Fx并基于一對(duì)電容元件C5和C6的電容值之和“C5+C6” 來檢測(cè)沿Z軸方向的力Fz。在滿足這些傾斜條件的結(jié)構(gòu)中，準(zhǔn)備了用于檢測(cè)第一下膜部21在Z軸方向上的位 移的第一傳感器和用于檢測(cè)第二下膜部22在Z軸方向上的位移的第二傳感器，在下基板20 被固定的狀態(tài)下，可輸出表示第一傳感器的檢測(cè)值與第二傳感器的檢測(cè)值之間的差的電信 號(hào)作為施加至上基板10的沿X軸方向的力Fx的檢測(cè)值，并且可輸出表示第一傳感器的檢 測(cè)值和第二傳感器的檢測(cè)值之和的電信號(hào)作為沿Z軸方向的力Fz的檢測(cè)值。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)選地，將第一柱狀件Pl的中心軸線Al和第二柱狀件P2的 中心軸線A2設(shè)置在“XZ平面”上或“平行于XZ平面的同一平面”上，從而第一柱狀件Pl和 第二柱狀件P2變得關(guān)于YZ平面對(duì)稱。在此情況下，整個(gè)裝置可形成為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和裝 配變得容易，并且當(dāng)施加沿X軸正方向的力+Fx且當(dāng)施加沿X軸負(fù)方向的力-Fx時(shí)，可確保 變形形式的對(duì)稱性，并且可獲得正輸出值與負(fù)輸出值之間的對(duì)稱關(guān)系。作為測(cè)量柱狀件的傾斜狀態(tài)的傳感器，可使用任何傳感器，只要該傳感器能夠以 電信號(hào)測(cè)量由每個(gè)柱狀件的下端在垂直于下基板的基板表面的方向(即，向上的方向和向 下的方向)上施加的力。然而，利用所示實(shí)施方式中示出的電容元件的傳感器是具有非常 簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的傳感器，并且非常適用于本發(fā)明。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)選地，第一傳感器由第一電容元件C5構(gòu)成，第一電容元件 括形成于第一下膜部21上的第一位移電極(在所示實(shí)例中，是下膜部21本身)和固定至 與第一位移電極相對(duì)的位置處的第一固定電極E5，且第二傳感器由第二電容元件構(gòu)成，第 二電容元件包括形成于第二下膜部22上的第二位移電極(在所示實(shí)例中，是下膜部22本 身)和固定至與第二位移電極相對(duì)的位置處的第二固定電極E6。特別地，與所示實(shí)例的情況一樣，通過用導(dǎo)電材料制造下基板20或25，第一下膜 部21本身用作第一位移電極，并且第二下膜部22本身用作第二位移電極，從而不必單獨(dú)設(shè) 置位移電極，并且可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，當(dāng)下基板20或25不由導(dǎo)電材料制成時(shí)，由導(dǎo)電材料制成的第一位移電極可形成于第一下膜部21的下表面上，且由導(dǎo)電材料制成的第二位移 電極可形成于第二下膜部22的下表面上。如上所述，在此第二部分中，描述了具有如下功能的基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置 通過使用兩個(gè)柱狀件Pl和P2，可檢測(cè)沿X軸方向的力Fx和沿Z軸方向的力Fz，并且通過 利用“設(shè)置一對(duì)柱狀件以使之相對(duì)于參考軸線相互相對(duì)地傾斜”的基本原理，如第三部分和 第四部分所述，可設(shè)計(jì)能夠檢測(cè)更多力分量的力檢測(cè)裝置?？梢愿鞣N形式改變?cè)诖说诙?分中描述的基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置。例如，還允許整個(gè)上基板10由撓性基板形成，第一上膜部11由該撓性基板的一 部分形成，且第二上膜部12由該撓性基板的另一部分形成。類似地，還允許整個(gè)下基板20 由撓性基板形成，第一下膜部21由該撓性基板的一部分形成，且第二下膜部22由該撓性基 板的另一部分形成。替代地，可用具有任意形狀的結(jié)構(gòu)體代替上基板10和下基板20。將在 第五部分中描述這些示例性變型?！兜谌糠帧繁景l(fā)明實(shí)際實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)這里，將描述通過利用第二部分所述的基本原理而具有檢測(cè)六個(gè)分量(沿相應(yīng)坐 標(biāo)軸方向的分力Fx、Fy和Fz以及圍繞相應(yīng)坐標(biāo)軸的分力矩Mx、My和Mz)的功能的實(shí)際實(shí) 施方式的力檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)。圖7是示出了實(shí)際實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置的各構(gòu)成元件未裝配的狀態(tài)的正視圖。 如所示出的，此裝置的主要構(gòu)成零件是上基板100、下基板200、輔助基板300、以及八個(gè)柱 狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4。圖8是示出了通過裝配這些零件來構(gòu)造的力檢測(cè)裝置的正 視圖(檢測(cè)電路部分以方框示出)。如所示出的，八個(gè)柱狀件的上端接合至上基板100的下 表面，且下端接合至下基板200的上表面。輔助基板300接合至下基板200的下表面。輔 助基板300執(zhí)行支撐構(gòu)成傳感器的固定電極的功能。這里，將圖6所示的力檢測(cè)裝置的構(gòu)成元件與圖8所示的力檢測(cè)裝置的構(gòu)成元件 相比，前一力檢測(cè)裝置的上基板15、下基板25、輔助基板35、柱狀件Pl和P2以及檢測(cè)電路 50對(duì)應(yīng)于后一力檢測(cè)裝置的上基板100、下基板200、輔助基板300、柱狀件Pxl至Px4和 Pyl至Py4以及檢測(cè)電路500。這些力檢測(cè)裝置之間的最大差異是柱狀件的數(shù)量。前一力 檢測(cè)裝置是具有利用兩個(gè)柱狀件來檢測(cè)力Fx和Fz的功能的裝置，而另一方面，后一力檢測(cè) 裝置是具有利用八個(gè)柱狀件來檢測(cè)力Fx、Fy和Fz以及力矩Mx、My和Mz的功能的裝置。在圖7和圖8中，僅示出了四個(gè)柱狀件，然而，實(shí)際上，將另外四個(gè)柱狀件設(shè)置在所 示柱狀件的后面(在圖中，在括號(hào)中示出了隱藏的柱狀件的參考標(biāo)號(hào))。在此裝置中，八個(gè) 柱狀件的布置，具體地說，柱狀件的中心軸線的傾斜方向?qū)τ诹鶄€(gè)力分量的正確檢測(cè)非常 重要。因此，下面將根據(jù)基板100、200和300詳細(xì)描述此裝置的結(jié)構(gòu)。圖9是此力檢測(cè)裝置的俯視圖。在這里示出的實(shí)施方式中，三個(gè)基板100、200和 300是具有相同半徑的盤形。因此，在俯視圖中僅示出了上基板100，然而，下基板200和輔 助基板300隱藏在上基板100后面。這里，將穿過這三個(gè)圓形基板中心的軸線設(shè)置為Z軸。 如所示出的，在俯視圖中，將圖中向右的方向設(shè)置為X軸正方向，并將圖中向上的方向設(shè)置 為Y軸正方向。因此，三個(gè)基板100、200和300具有平行于XY平面的基板表面，并且穿過 基板中心的Z軸變成其正方向在圖8中是向上的方向的坐標(biāo)軸。如圖8的正視圖所示，此坐標(biāo)系的原點(diǎn)0設(shè)置在靠近輔助基板300上表面的位置
36處(將在后面描述這樣做的原因)。因此，XY平面是穿過圖8的原點(diǎn)0的水平面，然而，在 下文描述的每個(gè)平面圖(俯視圖)中，為了方便，在平面圖中繪制出X軸和Y軸。嚴(yán)格地說， 在下文描述的平面圖中繪制的X軸和Y軸是X軸和Y軸在這些視圖上的投影圖像，然而，只 要不明確地出現(xiàn)混淆，將基于在視圖上定義二維XY坐標(biāo)系的假設(shè)而進(jìn)行描述。圖9中的八個(gè)橢圓形陰影區(qū)域示出了八個(gè)柱狀件設(shè)置的區(qū)域(陰影部分并非示出 橫截面，而是示出了區(qū)域)。區(qū)域?yàn)槭裁词菣E圓形的原因是因?yàn)橹鶢罴莾A斜的。這里，這 八個(gè)區(qū)域指的是區(qū)域Axl至Ax4和區(qū)域Ayl至Ay4。區(qū)域Axl至Ax4是設(shè)置在X軸的兩側(cè) 上的區(qū)域，且區(qū)域Ayl至Ay4是設(shè)置在Y軸的兩側(cè)上的區(qū)域。在下文中，在表示每個(gè)區(qū)域的 三個(gè)參考標(biāo)號(hào)字符中，后兩個(gè)參考標(biāo)號(hào)字符用作表示區(qū)域位置的位置參考標(biāo)號(hào)。例如，區(qū)域 參考標(biāo)號(hào)“Axl”的后兩個(gè)字符“xl”用作表示所示區(qū)域Axl的位置的位置參考標(biāo)號(hào)。圖10是作為圖8所示力檢測(cè)裝置的構(gòu)成元件的上基板100的俯視圖。在圖中，在 八個(gè)位置用虛線繪制雙圓，并且這些雙圓表示形成于上基板100下表面上的凹槽和凸起。 這些凹槽和凸起形成于基板下表面上，從而在圖中用虛線繪制這些凹槽和凸起。這八個(gè)雙 圓與圖9所示的八個(gè)區(qū)域中的任一個(gè)相對(duì)應(yīng)。雙圓的外圓表示所形成的環(huán)形凹槽的外圍，且內(nèi)圓表示所形成的圓柱形柱狀凸起 的外圍。在外圓與內(nèi)圓之間的區(qū)域中，形成墊圈形狀的膜部。這里，用“包括作為首字符的 G的三個(gè)字符的參考標(biāo)號(hào)”表示凹槽，用“包括作為首字符的B的三個(gè)字符的參考標(biāo)號(hào)”表 示膜部，并且用“包括作為首字符的b的三個(gè)字符的參考標(biāo)號(hào)”表示凸起。每個(gè)參考標(biāo)號(hào)的 后兩個(gè)字符構(gòu)成上述的位置參考標(biāo)號(hào)。例如，在圖10的右端由參考標(biāo)號(hào)“Gx2”表示的部分 表示位于區(qū)域Ax2中的凹槽，由參考標(biāo)號(hào)“Bx2”表示的部分表示位于區(qū)域Ax2中的膜部，并 且由參考標(biāo)號(hào)“bx2”表示的部分表示位于區(qū)域Ax2中的凸起。在圖11的縱向截面圖(A)中清楚地示出了凹槽Gx2、膜部Bx2和凸起bx2的結(jié)構(gòu)。 圖11的視圖(A)是圖10所示上基板100的沿著切割線A-A切開的縱向截面圖。如所示出 的，凹槽Gx2和Gx4是在上基板100的下表面中挖出的環(huán)形凹槽，并且這里，將其稱為“上凹 槽”。膜部Bx2和Bx4是由于凹槽Gx2和Gx4的形成而具有減小的厚度的部分，并且是形成 凹槽底部的墊圈形狀膜狀部分。這里，這些膜狀部分被稱為“上膜部”。另一方面，凸起bx2 和bx4是在凹槽Gx2和Gx4內(nèi)向下伸出的圓柱形柱狀結(jié)構(gòu)體，并且用來連接柱狀部分的上 端，如后面所描述。類似地，圖11的視圖⑶和(C)分別是圖10所示上基板100的沿著切割線B-B 和C-C切開的縱向截面圖。在切割線B-B的位置處，沒有形成凹槽，然而，在切割線C-C的 位置處，形成有上凹槽Gy3和Gy4，結(jié)果，形成有上膜部By3和By4以及凸起by3和by4。這 里，上凹槽Gy3、上膜部By3和凸起by3是位于圖9所示區(qū)域Ay3中的構(gòu)成元件，且上凹槽 Gy4、上膜部By4和凸起by4是位于圖9所示區(qū)域Ay4中的構(gòu)成元件。另一方面，圖12是作為圖8所示力檢測(cè)裝置的構(gòu)成元件的下基板200的俯視圖。 同樣，在此圖中，在八個(gè)位置繪制出雙圓，并且這些雙圓表示形成于下基板200上表面上的 凹槽和凸起。這八個(gè)雙圓也與圖9所示八個(gè)區(qū)域中的任一個(gè)的位置相對(duì)應(yīng)。圖12所示八 個(gè)雙圓的位置和圖10中用虛線表示的八個(gè)雙圓的位置在平面圖上彼此不重疊。這是因?yàn)?柱狀件傾斜地布置，如后面所述。同樣，在此圖中，雙圓的外圓表示所形成的環(huán)形凹槽的外圍，且內(nèi)圓表示所形成的
37圓柱形柱狀凸起的外圍。在外圓與內(nèi)圓之間的區(qū)域中，形成墊圈形狀的膜部。在此下基板 200上，用“包括作為首字符的H的三個(gè)字符的參考標(biāo)號(hào)”表示凹槽，用“包括作為首字符的 D的三個(gè)字符的參考標(biāo)號(hào)”表示膜部，并且用“包括作為首字符的d的三個(gè)字符的參考標(biāo)號(hào)” 表示凸起。每個(gè)參考標(biāo)號(hào)的后兩個(gè)字符仍構(gòu)成上述的位置參考標(biāo)號(hào)。例如，在圖12的右端 由參考標(biāo)號(hào)“Hx2”表示的部分表示位于區(qū)域Ax2中的凹槽，由參考標(biāo)號(hào)“Dx2”表示的部分 表示位于區(qū)域Ax2中的膜部，并且由參考標(biāo)號(hào)“dx2”表示的部分表示位于區(qū)域Ax2中的凸 起。在圖13的縱向截面圖⑶中清楚地示出了凹槽Hx2、膜部Dx2和凸起dx2的結(jié)構(gòu)。 圖13的視圖(B)是圖12所示下基板200的沿著切割線B-B切開的縱向截面圖。如所示出 的，凹槽Hx2和Hx4是在下基板200的上表面中挖出的環(huán)形凹槽，并且這里，將其稱為“下凹 槽”。膜部Dx2和Dx4是由于凹槽Hx2和Hx4的形成而具有減小的厚度的部分，并且是形成 凹槽底部的墊圈形狀薄狀部分。這里，這些膜狀部分被稱為“下膜部”。另一方面，凸起dx2 和dx4是在凹槽Hx2和Hx4內(nèi)向上伸出的圓柱形柱狀結(jié)構(gòu)體，并且用來連接柱狀部分的下 端，如后面所描述。類似地，圖13的視圖㈧和(C)分別是圖12所示下基板200的沿著切割線A-A 和C-C切開的縱向截面圖。在切割線A-A的位置處，沒有形成凹槽，然而，在切割線C-C的 位置處，形成有下凹槽Hy3和Hy4，結(jié)果，形成有下膜部Dy3和Dy4以及凸起dy3和dy4。這 里，下凹槽Hy3、下膜部Dy3和凸起dy3是位于圖9所示區(qū)域Ay3中的構(gòu)成元件，且下凹槽 Hy4、下膜部Dy4和凸起dy4是位于圖9所示區(qū)域Ay4中的構(gòu)成元件。圖14是作為圖8所示力檢測(cè)裝置的構(gòu)成元件的輔助基板300的俯視圖。在此圖 中，也在八個(gè)位置繪制出雙圓，并且這些雙圓表示形成于輔助基板300的上表面上的凹槽 和電極。這八個(gè)雙圓也與圖9所示八個(gè)區(qū)域中的任一個(gè)的位置相對(duì)應(yīng)。圖14所示八個(gè)雙 圓的位置和圖12所示八個(gè)雙圓的位置在平面圖中彼此重合。這是因?yàn)?，輔助基板300上的 八個(gè)電極分別位于下基板200的八個(gè)下膜部的正下方。在圖14中，雙圓的外圓表示所形成的圓柱形柱狀凹槽的外圍，且內(nèi)圓表示形成于 凹槽底面上的盤形電極的外圍。在此輔助基板300上，用“包括作為首字符的K的三個(gè)字 符的參考標(biāo)號(hào)”表示凹槽，并且用“包括作為首字符的E的三個(gè)字符的參考標(biāo)號(hào)”表示電極。 每個(gè)參考標(biāo)號(hào)的后兩個(gè)字符仍構(gòu)成上述的位置參考標(biāo)號(hào)。例如，在圖14的右端由參考標(biāo)號(hào) “Kx2”表示的部分表示位于區(qū)域Ax2中的凹槽，并且由參考標(biāo)號(hào)“Ex2”表示的部分表示位于 區(qū)域Ax2中的電極。在圖15的縱向截面圖⑶中清楚地示出了凹槽Kx2和電極Εχ2的結(jié)構(gòu)。圖15的 視圖(B)是圖14所示輔助基板300的沿著切割線B-B切開的縱向截面圖。如所示出的，凹 槽Κχ2和Κχ4是在輔助基板300的上表面中挖出的圓柱形柱狀凹槽，這里，將其稱為“輔助 凹槽”。上基板100上的上凹槽和下基板200上的下凹槽執(zhí)行形成具有撓性的上膜部和下膜 部的作用，并且輔助基板300上的輔助凹槽執(zhí)行形成電極的作用，該電極支撐于下基板200 下方的預(yù)定距離處。如圖15的視圖(B)所示，電極Εχ2是固定至輔助凹槽Κχ2底面的盤形 電極，且電極Εχ4是固定至輔助凹槽Κχ4底面的盤形電極。這里，固定至輔助基板300的八 個(gè)電極被稱為“固定電極”。類似地，圖15的視圖㈧和(C)分別是圖14所示輔助基板300的沿著切割線A-A和C-C切開的縱向截面圖。在切割線A-A的位置處，沒有形成凹槽，然而，在切割線C-C的 位置處，形成有輔助凹槽Ky3和Ky4，并且，固定電極Ey3和Ey4固定至這些凹槽的底面。這 里，輔助凹槽Ky3和固定電極Ey3是位于圖9所示區(qū)域Ay3中的構(gòu)成元件，且輔助凹槽Ky4 和固定電極Ey4是位于圖9所示區(qū)域Ay4中的構(gòu)成元件。在上面單獨(dú)描述了上基板100、下基板200和輔助基板300的構(gòu)造，接下來，將描述 由這些基板和八個(gè)柱狀件裝配的裝置的整體構(gòu)造。在這里示出的實(shí)例中，八個(gè)圓柱形柱狀 件是基本柱狀的構(gòu)件。圖16是圖8所示力檢測(cè)裝置的沿著XZ平面切開的縱向截面圖。示出了這樣一種 狀態(tài)位于XZ平面縱深側(cè)的四個(gè)柱狀件Pxl、Px3、Pyl和Py2夾在上基板100與下基板200 之間。這里，右端的柱狀件Pxl和左端的柱狀件Px3看起來在圖中是垂直豎立的，然而，實(shí) 際上，其在圖中的深度方向上是傾斜的。圖17是圖8所示力檢測(cè)裝置的沿著圖10、圖12和圖14所示的切割線A-A切開的 縱向截面圖。如圖10所示，在切割線A-A上，布置有上凹槽Gx2和Gx4、上膜部Bx2和Bx4、 以及凸起bx2和bx4，并且在圖17中，示出了它們的橫截面。示出了這樣一種狀態(tài)柱狀件 Px2和Px4連接至相應(yīng)凸起bx2和bx4的下表面。例如，位于凸起bx2下方的柱狀件Px2是 在圖中從凸起bx2的下表面向前延伸的構(gòu)件，并且僅示出了沿著切割線A-A切開的表面。位 于柱狀件Px2后面的柱狀件Pxl的上端不是接合至凸起bx2，而是接合至位于凸起bx2后面 的凸起bxl的下表面。圖18是圖8所示力檢測(cè)裝置的沿著圖10、圖12和圖14所示的切割線B-B切開的 縱向截面圖。如圖12和圖14所示，在切割線B-B上，布置有下凹槽Hx2和Hx4、下膜部Dx2 和Dx4、凸起dx2和dx4、輔助凹槽Kx2和Κχ4、以及固定電極Εχ2和Εχ4，并且在圖18中示 出了它們的橫截面。示出了這樣一種狀態(tài)柱狀件Px2和Px4連接至凸起dx2和dx4的上 表面。例如，位于凸起dx2上方的柱狀件Px2是在圖中從凸起dx2的上表面沿深度方向延 伸的構(gòu)件，并且在圖中，示出了沿著切割線B-B切開的表面和比此表面更深的部分。位于更 深側(cè)上的另一柱狀件Pxl隱藏在柱狀件Px2的后面，并且在圖中未示出。圖19是圖8所示力檢測(cè)裝置的沿著圖10、圖12和圖14所示的切割線C-C切開的 縱向截面圖。在切割線C-C上，如圖10所示，布置有上凹槽Gy3和Gy4、上膜部By3和By4、 以及凸起by3和by4，并且如圖12所示，布置有下凹槽Hy3和Hy4、下膜部Dy3和Dy4、以及 凸起dy3和dy4，此外，如圖14所示，布置有輔助凹槽Ky3和Ky4以及固定電極Ey3和Ey4。 在圖19中，示出了它們的橫截面。柱狀件Py3和Py4的中心軸線位于沿著切割線C-C的縱向截面上，從而在圖19中， 清楚地示出了兩個(gè)柱狀件Py3和Py4的上端和下端的連接狀態(tài)。具體地，柱狀件Py3和Py4 的上端接合至上基板100上的凸起by3和by4的下表面，并且下端接合至下基板200上的 凸起dy3和dy4的上表面。此外，柱狀件Py3是傾斜的，從而其上端向左傾斜，且另一方面， 柱狀件Py4是傾斜的，從而其上端向右傾斜，并且這些柱狀件Py3和Py4相互相對(duì)地傾斜。如圖18所示，在下膜部Dx2的正下方的預(yù)定距離處設(shè)置有固定電極Ex2，并且在 下膜部Dx4的正下方的預(yù)定距離處設(shè)置有固定電極Ex4。如圖19所示，在下膜部Dy3的正 下方的預(yù)定距離處設(shè)置有固定電極Ey3，并且在下膜部Dy4的正下方的預(yù)定距離處設(shè)置有 固定電極Ey4。因此，在這里示出的實(shí)施方式的情況下，在八個(gè)下膜部Dxl至Dx4和Dyl至Dy4的正下方的預(yù)定距離處設(shè)置有固定電極Exl至Ex4和Eyl至Ey4。下基板200由導(dǎo)電 材料制成，從而八個(gè)下膜部Dxl至Dx4和Dyl至Dy4用作位移電極，并且與相對(duì)的固定電極 Exl至Ex4和Ey 1至Ey4 —起構(gòu)成電容元件Cxl至Cx4和Cyl至Cy4。每個(gè)電容元件用作 檢測(cè)每個(gè)下膜部在上下方向(Z軸方向)上的位移的傳感器。圖20是示出了圖8所示力檢測(cè)裝置中的上膜部與下膜部的位置關(guān)系的平面圖。 具體地，圖10所示的八個(gè)雙圓(上基板100的構(gòu)成元件)和圖12所示的八個(gè)雙圓(下基 板200的構(gòu)成元件)以在同一平面上重疊的方式被示出。如圖中交替的長短虛線所示，當(dāng) 定義了穿過X軸正側(cè)上的點(diǎn)Q(+x)且平行于Y軸的參考線Li、穿過X軸負(fù)側(cè)上的點(diǎn)Q(-x) 且平行于Y軸的參考線L2、穿過Y軸正側(cè)上的點(diǎn)Q (+y)且平行于X軸的參考線L3和穿過Y 軸負(fù)側(cè)上的點(diǎn)Q(_y)且平行于X軸的參考線L4時(shí)，則總共16個(gè)雙圓的中心布置在參考線 Ll至L4上。這里，考慮圖9所示的八個(gè)區(qū)域，屬于圖20中同一區(qū)域的雙圓的內(nèi)圓(凸起)表 示同一柱狀件的上端和下端的連接位置。例如，區(qū)域Axl中的凸起dxl和bxl是同一柱狀 件Pxl的下端和上端所連接的連接對(duì)象，并且區(qū)域Ax2中的凸起dx2和bx2是同一柱狀件 Px2的下端和上端所連接的連接對(duì)象。類似地，區(qū)域Ayl中的凸起dyl和byl是同一柱狀件 Pyl的下端和上端所連接的連接對(duì)象，并且區(qū)域Ay2中的凸起dy2和by2是同一柱狀件Py2 的下端和上端所連接的連接對(duì)象。圖21是示出了圖8所示力檢測(cè)裝置中的下基板200和附接至下基板200上表面的 八個(gè)柱狀件的平面圖。換句話說，此圖與在圖8所示力檢測(cè)裝置中去除上基板100的俯視 圖相對(duì)應(yīng)，并且從上方觀察其余的結(jié)構(gòu)體。這里，陰影部分并非示出橫截面，而是示出了柱 狀件的上端面。僅供參考，形成于上基板100上的上凹槽的位置用虛線表示。用交替的長 短虛線表示的表面S(+x)、S(-x)、S(+y)和S(_y)，表示豎立在圖20所示參考線Li、L2、L3 和L4上的垂直表面。具體地，S (+χ)表示在正側(cè)上正交于X軸的X軸正側(cè)正交平面，S (-χ) 表示在負(fù)側(cè)上正交于X軸的X軸負(fù)側(cè)正交平面，S(+y)表示在正側(cè)上正交于Y軸的Y軸正 側(cè)正交平面，并且S (-y)表示在負(fù)側(cè)上正交于Y軸的Y軸負(fù)側(cè)正交平面。如所示出的，柱狀件Pxl和Px2的中心軸線位于X軸正側(cè)正交平面S (+χ)上，柱狀 件Ρχ3和Ρχ4的中心軸線位于X軸負(fù)側(cè)正交平面S (-χ)上，柱狀件Pyl和Py2的中心軸線 位于Y軸正側(cè)正交平面S (+y)上，而柱狀件Py3和Py4的中心軸線位于Y軸負(fù)側(cè)正交平面 S(-y)上。這意味著，柱狀件Pxl、Px2、Px3和Px4(在下文中，稱為X軸柱狀件)相對(duì)于Y軸 方向傾斜，但是相對(duì)于χ軸方向不傾斜，并且柱狀件Pyl、Py2、Py3和Py4(在下文中，稱為Y 軸柱狀件)相對(duì)于X軸方向傾斜，但是相對(duì)于Y軸方向不傾斜。X軸柱狀件Pxl和Ρχ2相對(duì) 于XZ平面的傾斜是彼此相對(duì)的，且X軸柱狀件Px3和Px4相對(duì)于XZ平面的傾斜也是彼此 相對(duì)的。類似地，Y軸柱狀件Pyl和Py2相對(duì)于YZ平面的傾斜是彼此相對(duì)的，且Y軸柱狀 件Py3和Py4相對(duì)于YZ平面的傾斜也是彼此相對(duì)的。八個(gè)柱狀件的這些傾斜特征對(duì)于檢 測(cè)在第四部分中描述的力的六個(gè)軸向分量是非常重要的。圖8所示實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置具有檢測(cè)在XYZ三維坐標(biāo)系中沿預(yù)定方向施加的 力的功能，并且包括具有平行于XY平面的基板表面的上基板100、具有平行于XY平面的基 板表面且設(shè)置在上基板100下方的下基板200、具有接合至上基板100下表面的上端和接合至下基板200上表面的下端的第一至第四X軸柱狀件Pxl至Px4和第一至第四Y軸柱狀件 Pyl至Py4、以及基于八個(gè)柱狀件的位移而輸出表示所施加力的電信號(hào)的檢測(cè)器(八個(gè)電容 元件Cxl至Cx4和Cyl至Cy4在圖8中未示出，且檢測(cè)電路500在圖8中以方框示出)。這里，在上基板100上，第一至第四X軸柱狀件Pxl至Px4的上端所接合的接合部 分附近構(gòu)成具有撓性的第一至第四X軸上膜部Bxl至Bx4，并且第一至第四Y軸柱狀件Pyl 至Py4的上端所接合的接合部分附近構(gòu)成具有撓性的第一至第四Y軸上膜部Byl至By4。 類似地，在下基板200上，第一至第四X軸柱狀件Pxl至Px4的下端所接合的接合部分附近 構(gòu)成具有撓性的第一至第四X軸下膜部Dxl至Dx4，并且第一至第四Y軸柱狀件Pyl至Py4 的下端所接合的接合部分附近構(gòu)成具有撓性的第一至第四Y軸下膜部Dyl至Dy4。適當(dāng)設(shè)定膜部的厚度以便獲得力檢測(cè)所必需的撓性。膜部用作所謂的隔膜。由凹 槽的深度確定膜部的厚度，并且在制造此裝置的過程中，通過在作為材料的基板上形成具 有預(yù)定深度的凹槽的處理來形成膜部。在通過本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行的試驗(yàn)來制造裝置的情 況下，當(dāng)上基板100和下基板200由具有IOmm厚度的鋁或不銹鋼制成的基板形成時(shí)，且將 凹槽的直徑設(shè)置為20mm，并將凸起的直徑設(shè)置為10mm，則通過將膜部的厚度設(shè)置為不超過 1. 0mm，可形成具有足夠用于通用目的的撓性的膜部。在每個(gè)柱狀件的上端與上膜部之間以及在每個(gè)柱狀件的下端與下膜部之間，可以 實(shí)現(xiàn)直接連接或者可以通過一些構(gòu)件實(shí)現(xiàn)間接連接。在這里示出的實(shí)施方式的情況下，每 個(gè)柱狀件通過凸起間接連接至每個(gè)膜部。例如，圖19示出了這樣一種狀態(tài)柱狀件Py3的 上端經(jīng)由凸起by3連接至上膜部By3，柱狀件Py3的下端經(jīng)由凸起dy3連接至下膜部Dy3， 柱狀件Py4的上端經(jīng)由凸起by4連接至上膜部By4，并且柱狀件Py4的下端經(jīng)由凸起dy4連 接至下膜部Dy4。當(dāng)然，也可采用不插入凸起而將柱狀件的端部直接接合至膜部的結(jié)構(gòu)。然而，根據(jù) 凸起的插入，可僅通過將每個(gè)柱狀件的上端和下端接合至凸起的暴露表面來構(gòu)造主結(jié)構(gòu)部 分，從而裝配變得更容易。如果將柱狀件的上端和下端設(shè)置在凹槽內(nèi)且直接接合至膜部，那 么當(dāng)柱狀件過度傾斜時(shí)它們可能與凹槽邊緣接觸，因而在實(shí)際使用中，如所示實(shí)例一樣，優(yōu) 選地采用通過凸起間接接合的結(jié)構(gòu)。具體地，優(yōu)選地，上凹槽Gxl至Gx4和Gyl至Gy4形成于上基板100的下表面上， 從凹槽底面向下延伸至基板表面位置的凸起bxl至bx4和byl至by4設(shè)置在凹槽內(nèi)部，并 且柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4的上端通過這些凸起接合至上膜部Bxl至Bx4和Byl至 By4。類似地，優(yōu)選地，下凹槽Hxl至Hx4和Hyl至Hy4形成于下基板200的上表面上，從凹 槽底面向上延伸至基板表面位置的凸起dxl至dx4和dyl至dy4設(shè)置在凹槽內(nèi)部，并且柱 狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4的下端通過這些凸起接合至下膜部Dxl至Dx4和Dyl至Dy4。在所示實(shí)施方式中，上凹槽Gxl至Gx4和Gyl至Gy4形成于上基板100的下表面 上，并且這些凹槽的底部形成上膜部Bxl至Bx4和Byl至By4，然而，也允許在上基板100的 上表面上形成上凹槽，并且在上基板100的下表面附近的其余凹槽底部形成上膜部。在此 情況下，不使用凸起而將柱狀件的上端直接接合至上膜部就足夠了。類似地，在所示實(shí)施方 式中，下凹槽Hxl至Hx4和Hyl至Hy4形成于下基板200的上表面上，并且這些凹槽的底部 形成下膜部Dxl至Dx4和Dyl至Dy4，然而，也允許在下基板200的下表面上形成下凹槽，并 且在下基板200的上表面附近的其余凹槽底部形成下膜部。在此情況下，不使用凸起而將柱狀件的下端直接接合至下膜部就足夠了。在此第三部分描述的實(shí)施方式中，柱狀件的傾斜狀態(tài)仍很重要。如上所述，在不施 加作為檢測(cè)對(duì)象的外力的狀態(tài)下，八個(gè)柱狀件設(shè)置為相對(duì)于Z軸傾斜。這里，為了基于第二 部分描述的基本原理執(zhí)行測(cè)量，需要滿足條件“連接上基板和下基板的一對(duì)柱狀件相互相 對(duì)地傾斜”的布置。具體地，如圖21所示，第一 X軸柱狀件Pxl和第二 X軸柱狀件Px2布置成使得它 們的中心軸線包含于在X軸的正區(qū)域中正交于X軸的X軸正側(cè)正交平面s(+x)中，且這些 柱狀件相對(duì)于XZ平面相互相對(duì)地傾斜，并且第三X軸柱狀件Px3和第四X軸柱狀件Px4布 置成使得它們的中心軸線包含于在X軸的負(fù)區(qū)域中正交于X軸的X軸負(fù)側(cè)正交平面S (-χ) 中，且這些柱狀件相對(duì)于XZ平面相互相對(duì)地傾斜。類似地，第一 Y軸柱狀件Pyl和第二 Y 軸柱狀件Py2布置成使得它們的中心軸線包含于在Y軸的正區(qū)域中正交于Y軸的Y軸正側(cè) 正交平面S (+y)中，且這些柱狀件相對(duì)于YZ平面相互相對(duì)地傾斜，并且第三Y軸柱狀件Py3 和第四Y軸柱狀件Py4布置成使得它們的中心軸線包含于在Y軸的負(fù)區(qū)域中正交于Y軸的 Y軸負(fù)側(cè)正交平面S (-y)中，且這些柱狀件相對(duì)于YZ平面相互相對(duì)地傾斜。這里，在下基板200被固定的狀態(tài)下，當(dāng)對(duì)上基板100施加外力時(shí)，八個(gè)柱狀件位 移。檢測(cè)器是具有基于這些位移而輸出表示所施加力的電信號(hào)的功能的構(gòu)成元件，并且包 括傳感器，檢測(cè)連接至柱狀件下端的下膜部在Z軸方向上位移；和檢測(cè)電路500，輸出基于 這些傳感器的檢測(cè)值獲得的電信號(hào)作為在下基板200被固定的狀態(tài)下施加至上基板100的 力的檢測(cè)值。類似地，在這里描述的實(shí)施方式中，使用以下傳感器檢測(cè)第一 X軸下膜部Dxl的 Z軸方向上的位移的第一 X軸傳感器、檢測(cè)第二 X軸下膜部的Z軸方向上的位移的第二 X軸 傳感器、檢測(cè)第三X軸下膜部的Z軸方向上的位移的第三X軸傳感器、檢測(cè)第四X軸下膜部 的Z軸方向上的位移的第四X軸傳感器、檢測(cè)第一 Y軸下膜部的Z軸方向上的位移的第一 Y軸傳感器、檢測(cè)第二 Y軸下膜部的Z軸方向上的位移的第二 Y軸傳感器、檢測(cè)第三Y軸下 膜部的Z軸方向上的位移的第三Y軸傳感器、以及檢測(cè)第四Y軸下膜部的Z軸方向上的位 移的第四Y軸傳感器。此外，在這里描述的實(shí)施方式中，每個(gè)傳感器由電容元件構(gòu)成，電容元件包括形成 于下膜部上的位移電極和固定至與位移電極相對(duì)的位置處的固定電極。由電容元件構(gòu)成的 傳感器可基于靜態(tài)電容值變化而掌握位移電極與固定電極之間的電極-電極距離的變化， 從而能夠以靜態(tài)電容值變化檢測(cè)每個(gè)下膜部在Z軸方向上的位移。在這里描述的實(shí)施方式的情況下，下基板200由導(dǎo)電材料制成，從而每個(gè)下膜部 用作具有導(dǎo)電性的位移電極。因此，第一 X軸傳感器由第一 X軸電容元件Cxl構(gòu)成，第一 X 軸電容元件Cxl包括由第一 X軸下膜部Dxl構(gòu)成的第一 X軸位移電極、以及固定至與第一 X軸位移電極相對(duì)的位置處的第一 X軸固定電極Exl ；第二 X軸傳感器由第二 X軸電容元件 Cx2構(gòu)成，第二 X軸電容元件Cx2包括由第二 X軸下膜部Dx2構(gòu)成的第二 X軸位移電極、 以及固定至與第二X軸位移電極相對(duì)的位置處的第二X軸固定電極Ex2 ；第三X軸傳感器由 第三X軸電容元件Cx3構(gòu)成，第三X軸電容元件Cx3包括由第三X軸下膜部Dx3構(gòu)成的第 三X軸位移電極、以及固定至與第三X軸位移電極相對(duì)的位置處的第三X軸固定電極Ex3 ； 并且第四X軸傳感器由第四X軸電容元件Cx4構(gòu)成，第四X軸電容元件Cx4包括由第四X軸下膜部Dx4構(gòu)成的第四X軸位移電極、以及固定至與第四X軸位移電極相對(duì)的位置處的 第四X軸固定電極Ex4。類似地，第一 Y軸傳感器由第一 Y軸電容元件Cyl構(gòu)成，第一 Y軸電容元件Cyl包 括由第一 Y軸下膜部Dyl構(gòu)成的第一 Y軸位移電極、以及固定至與第一 Y軸位移電極相 對(duì)的位置處的第一 Y軸固定電極Eyl ；第二 Y軸傳感器由第二 Y軸電容元件Cy2構(gòu)成，第二 Y軸電容元件Cy2包括由第二 Y軸下膜部Dy2構(gòu)成的第二 Y軸位移電極、以及固定至與第 二 Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第二 Y軸固定電極Ey2 ；第三Y軸傳感器由第三Y軸電容 元件Cy3構(gòu)成，第三Y軸電容元件Cy3包括由第三Y軸下膜部Dy3構(gòu)成的第三Y軸位移電 極、以及固定至與第三Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第三Y軸固定電極Ey3 ；并且第四Y軸 傳感器由第四Y軸電容元件Cy4構(gòu)成，第四Y軸電容元件Cy4包括由第四Y軸下膜部Dy4 構(gòu)成的第四Y軸位移電極、以及固定至與第四Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第四Y軸固定 電極Ey4。檢測(cè)電路500輸出電信號(hào)作為檢測(cè)值，基于第一 X軸電容元件Cxl的靜態(tài)電容波 動(dòng)值Cxl、第二 X軸電容元件Cx2的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx2、第三X軸電容元件Cx3的靜態(tài)電容 波動(dòng)值Cx3、第四X軸電容元件Cx4的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx4、第一 Y軸電容元件Cyl的靜態(tài) 電容波動(dòng)值Cyl、第二 Y軸電容元件Cy2的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy2、第三Y軸電容元件Cy3的 靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy3、以及第四Y軸電容元件Cy4的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy4而獲得上述電信號(hào) (這里，為了方便，電容元件和此電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值用相同的參考標(biāo)號(hào)表示)。將 在第四部分中詳細(xì)描述獲得具體檢測(cè)值的方法。當(dāng)下基板200由不導(dǎo)電材料制成時(shí)，下膜部不具有導(dǎo)電性，從而下膜部本身不能 用作位移電極。在此情況下，允許在每個(gè)下膜部的下表面上形成單獨(dú)的導(dǎo)電膜并將該導(dǎo)電 膜用作位移電極。當(dāng)然，在實(shí)際使用中，與這里示出的實(shí)施方式一樣，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，優(yōu)選 地，下基板200由導(dǎo)電材料制成且每個(gè)下膜部本身用作位移電極。當(dāng)下基板200由導(dǎo)電材 料制成時(shí)，則位移電極處于導(dǎo)電狀態(tài)下，然而，只要與位移電極相對(duì)的固定電極在電力上彼 此獨(dú)立，那么電容元件也變得在電力上彼此獨(dú)立，并且導(dǎo)電狀態(tài)不會(huì)影響檢測(cè)操作?？筛鶕?jù)任何方法附接固定電極，只要將其固定至與位移電極相對(duì)的位置處即可， 然而，在實(shí)際使用中，與這里描述的實(shí)施方式一樣，優(yōu)選地，將輔助基板300牢固地固定至 下基板200的下表面，并且將固定電極附接至輔助基板300的上表面。特別地，與所示實(shí)例 一樣，當(dāng)在輔助基板300的上表面上且位于下膜部(位移電極)下方的位置處分別形成輔 助凹槽Kxl至Kx4和Kyl至Ky4時(shí)，并且在這些輔助凹槽的底面上分別形成固定電極Exl 至Ex4和Eyl至Ey4，則結(jié)構(gòu)變得更簡(jiǎn)單，而且裝配也變得更容易。當(dāng)構(gòu)造本發(fā)明的力檢測(cè)裝置時(shí)，雖然不特別限制各零件的材料，但是，上基板、下 基板和柱狀件可由諸如鋁或不銹鋼的金屬制成。具體地，下基板由導(dǎo)電材料制成能夠使下 膜部本身用作位移電極。另一方面，輔助基板優(yōu)選地由絕緣材料(例如，用于保持固定電極 彼此絕緣的玻璃纖維環(huán)氧樹脂或陶瓷)制成。當(dāng)然，還允許包括上基板、下基板、柱狀件和 輔助基板的整體由諸如合成樹脂的絕緣材料制成。在此情況下，可形成金屬鍍層等作為位 移電極和固定電極?！兜谒牟糠帧繁景l(fā)明實(shí)際實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置的操作這里，將詳細(xì)描述本發(fā)明實(shí)際實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置的操作，在第三部分中描述 了其結(jié)構(gòu)。此裝置具有檢測(cè)XYZ三維坐標(biāo)系中的六個(gè)力(沿坐標(biāo)軸方向的力Fx、Fy和Fz，
43以及圍繞坐標(biāo)軸的力矩Mx、My和Mz)的功能。例如，當(dāng)此裝置用來檢測(cè)相對(duì)于機(jī)器人的上 臂施加至下臂的力時(shí)，允許將輔助基板300固定至上臂側(cè)，將上基板100固定至下臂側(cè)，并 且此裝置本身用作肘部處的關(guān)節(jié)。因此，在上臂被固定的狀態(tài)下可檢測(cè)施加至下臂的六個(gè) 力 Fx、Fy、Fz、Mx、My 禾口 Mz0在本發(fā)明的應(yīng)用中，術(shù)語“力”適當(dāng)?shù)赜米鞑煌囊饬x，即，沿特定坐標(biāo)軸方向的 力，以及包括分力矩的合力。例如，上述沿坐標(biāo)軸方向的力Fx、Fy和Fz表示沿坐標(biāo)軸方向 的分力而不是力矩，然而，六個(gè)力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz的說法表示包括沿坐標(biāo)軸方向的 分力和圍繞坐標(biāo)軸的分力矩的合力。在第二部分中，在僅包括兩個(gè)柱狀件的基本實(shí)施方式的裝置中，參照?qǐng)D3B描述了 當(dāng)施加沿X軸方向的力時(shí)的狀態(tài)。具體地，示出了在下基板20被固定的狀態(tài)下當(dāng)在圖中向 右的方向上對(duì)上基板10的重心Q施加力+Fx時(shí)的變形形式，并且上基板10處于平行于水平 方向移動(dòng)的狀態(tài)下。然而，實(shí)際上，難以施加力以使上基板10僅在如上所述的水平方向上 移動(dòng)。上基板10通過兩個(gè)柱狀件Pl和P2連接至下基板20，從而，例如，當(dāng)對(duì)上基板10的 左側(cè)表面水平地施加向右的壓力時(shí)，上基板10在圖中作為整體向右移動(dòng)，然而，上基板10 的運(yùn)動(dòng)不僅是水平運(yùn)動(dòng)，而且包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。特別地，當(dāng)在所示位置處定義原點(diǎn)0時(shí)，向右擠壓上基板10的左側(cè)表面的力作為 相對(duì)于原點(diǎn)0的力矩。換句話說，可將向右擠壓上基板10的左側(cè)表面的力認(rèn)為是在X軸方 向上對(duì)此力檢測(cè)裝置施加的力+Fx，并且也可將其認(rèn)為是圍繞Y軸的力矩+My。另外，力矩 的絕對(duì)值根據(jù)定義原點(diǎn)0的位置而改變。因此，只要將圍繞相應(yīng)坐標(biāo)軸的力矩Mx、My和Mz 作為檢測(cè)目標(biāo)，就不可避免地要確定坐標(biāo)系中變成此分力矩的旋轉(zhuǎn)軸的位置，并且必須將 原點(diǎn)0定義在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｔ趫D3A所示的實(shí)例中，Z軸設(shè)置在垂直于基板的方向上以穿過基板的中心，并且 原點(diǎn)0定義在位移基板20的下表面與輔助基板30的上表面之間的中間位置處且位于Z軸 上。這是因?yàn)椋捎脴?gòu)成電容元件(待用作傳感器)的一對(duì)電極之間的中間位置作為確定Z 軸上的原點(diǎn)0的參照點(diǎn)(相對(duì)于上下方向的位置參考)。確定此位置為原點(diǎn)0的參照點(diǎn)的 原因是因?yàn)?，如圖3B所示，當(dāng)通過施加外力而使兩個(gè)柱狀件Pl和P2位移時(shí)，以電容元件的 靜態(tài)電容值變化來檢測(cè)該位移，從而將相對(duì)于Z軸方向設(shè)置在電容元件(是直接檢測(cè)位移 的傳感器)中心位置的原點(diǎn)位置被認(rèn)為是最適當(dāng)?shù)?更嚴(yán)格地說，是固定電極E5和E6的 上表面與下膜部21和22的下表面之間的中間位置)。當(dāng)然，在圖3A和圖3B所示的裝置中，不能清楚地檢測(cè)力Fx和力矩My，并且這對(duì)電 容元件之間的靜態(tài)電容值之差包括力Fx和力矩My兩者的檢測(cè)值。因此，為了測(cè)量，在不需 要嚴(yán)格區(qū)分力和力矩的環(huán)境下使用圖3A和圖3B所示基本實(shí)施方式的裝置。另一方面，實(shí) 際實(shí)施方式(第三部分中描述了其結(jié)構(gòu))的裝置(圖8所示的裝置)具有清楚地測(cè)量力和 力矩的功能。在下文中，將描述此測(cè)量功能。同樣，在此實(shí)施方式的情況下，通過在穿過基板中心點(diǎn)的位置處定義Z軸并通過 將構(gòu)成傳感器的電容元件的中心位置定義為相對(duì)于Z軸方向的參考位置，來定義XYZ三維 坐標(biāo)系的原點(diǎn)0的位置?；诖思僭O(shè)，定義圖8所示的原點(diǎn)0。在圖8所示的裝置中，例如，當(dāng)對(duì)上基板100的左側(cè)表面水平地施加向右的壓力 時(shí)，上基板100在圖中作為整體向右移動(dòng)，并且上基板100的運(yùn)動(dòng)仍不僅是水平運(yùn)動(dòng)，而且包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)希望對(duì)此裝置僅施加沿X軸方向的分力+Fx時(shí)，例如，可設(shè)置圖22所示 的引導(dǎo)件410至440。引導(dǎo)件410和420是支撐上基板100左部的上下表面的構(gòu)件，而引導(dǎo) 件430和440是支撐上基板100右部的上下表面的構(gòu)件。如所示出的，通過固定輔助基板300和引導(dǎo)件410至440，將上基板100的運(yùn)動(dòng)方 向限制為僅沿水平方向，從而當(dāng)對(duì)上基板100的左側(cè)表面施加向右的壓力時(shí)，上基板100在 圖中僅水平地向右移動(dòng)。此時(shí)，該裝置的變形狀態(tài)是僅對(duì)裝置施加力+Fx時(shí)的變形狀態(tài)。相 反，對(duì)上基板100的右側(cè)表面施加向左的壓力時(shí)的狀態(tài)是僅對(duì)裝置施加力-Fx時(shí)的變形狀 態(tài)。對(duì)此裝置施加力+Fy或-Fy時(shí)的變形狀態(tài)也是相同的。接下來，考慮圖23所示的此裝置設(shè)置有引導(dǎo)件450的情況。引導(dǎo)件450是內(nèi)周基 本上等于基板100、200和300的外圍的圓柱形構(gòu)件，并且可將整個(gè)裝置容納在其中。這里， 在基板200和300固定至引導(dǎo)件450的情況下，當(dāng)對(duì)上基板100施加向上拉的力時(shí)，此時(shí)裝 置的變形狀態(tài)是僅對(duì)裝置施加力+Fz時(shí)的變形狀態(tài)。相反，當(dāng)對(duì)上基板100施加向下推的 力時(shí)，此時(shí)裝置的變形狀態(tài)是僅對(duì)裝置施加力-Fz時(shí)的變形狀態(tài)。然后，考慮僅對(duì)此裝置施加力矩的狀態(tài)。圖24是示出了導(dǎo)致圖8所示的力檢測(cè)裝 置僅由力矩+My確定的方式的正視圖。在圖24中，Y軸是朝著紙張的后表面?zhèn)妊由斓拇怪?軸，從而在下基板200被固定的情況下，力矩+My與圍繞原點(diǎn)0順時(shí)針旋轉(zhuǎn)上基板100的施 力點(diǎn)Q的力相對(duì)應(yīng)。當(dāng)施加此力矩+My時(shí)，施力點(diǎn)Q沿著具有半徑R的弧形軌跡T(由交替 的長短虛線表示)移動(dòng)。在本發(fā)明的應(yīng)用中，當(dāng)右旋螺釘(right screw)沿著預(yù)定坐標(biāo)軸 的正方向旋轉(zhuǎn)前進(jìn)時(shí)，將右旋螺釘?shù)男D(zhuǎn)方向定義為圍繞坐標(biāo)軸的正力矩。負(fù)力矩-My對(duì) 應(yīng)于圍繞原點(diǎn)0逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)施力點(diǎn)Q的力。當(dāng)然，為了沿著弧形軌跡T移動(dòng)施力點(diǎn)Q，必須用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)上基板100施加外 力，并且通過用某種方法施加這種外力，可獲得施加圍繞Y軸的力矩My時(shí)的變形狀態(tài)。同 樣適用于施加圍繞X軸的力矩Mx時(shí)的變形狀態(tài)。最后，考慮施加圍繞Z軸的力矩Mz的情況。圖25是示出了僅通過力矩+Mz變形的 圖8所示力檢測(cè)裝置的俯視圖。如所示出的，力矩+Mz對(duì)應(yīng)于在下基板200被固定的情況 下從上方觀察的圍繞Z軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)上基板100的力。類似地，力矩-Mz對(duì)應(yīng)于從上方觀 察的圍繞Z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)上基板100的力。因此，為了獲得僅施加力矩Mz時(shí)的變形狀態(tài)， 例如，如圖23所示，允許將整個(gè)裝置容納在圓柱形引導(dǎo)件450中，將基板200和300固定至 引導(dǎo)件450，并且對(duì)上基板100施加圍繞Z軸的旋轉(zhuǎn)力。上面描述了這樣一種獲得變形狀態(tài)的方法在下基板200被固定的情況下，對(duì)上 基板100上的施力點(diǎn)Q僅施加六個(gè)力Fx、Fy、FZ、Mx、My和Mz中的任何一個(gè)。當(dāng)然，當(dāng)在實(shí) 際中使用此裝置時(shí)，提供上述引導(dǎo)件410至450并不總是必須的。提供引導(dǎo)件410至450 的上述使用實(shí)例只是為了描述僅施加一個(gè)力分量時(shí)的變形狀態(tài)，并且實(shí)際上，不使用這種 引導(dǎo)件的利用形式更普遍。因此，在實(shí)際使用中，混合并施加六個(gè)力分量中的多個(gè)力分量。即使在混合并施加多個(gè)力分量的環(huán)境下，這里示出的力檢測(cè)裝置也可彼此獨(dú)立地 檢測(cè)六個(gè)力分量。首先，考慮當(dāng)單獨(dú)施加六個(gè)力時(shí)八個(gè)電容元件Cxl至Cx4和Cyl至Cy4 的靜態(tài)電容值的變化。圖26是示出了電容元件在六個(gè)變形狀態(tài)下的電容值變化的表。表的各列中的標(biāo)號(hào)表示相對(duì)于不施加外力的參考狀態(tài)的電容值變化，并且“0”表 示沒變化，“+Δ”或“+δ ”表示增大，且“-Δ”或“-δ ”表示減小。這里，“+Δ”和“+δ ”表示電容值增大，并且“+Δ”表示比“+δ ”大的變化。類似地，“-Δ”和“-δ ”表示電容值減小，并且 “-Δ”表示比“-δ ”大的變化。當(dāng)然，“ Δ ”和“ δ ”不表示具體的絕對(duì)值，而是表示變化的程度，從而，例如，具有 “+Δ”的多個(gè)列中的實(shí)際電容值波動(dòng)量不總是彼此相等。圖26示出了當(dāng)施加正力+Fx、+Fy、 +Fz、+Mx、+My和+Mz時(shí)的電容值變化，并且，當(dāng)施加負(fù)力_Fx、_Fy、_Fz、_Mx、-My和-Mz時(shí) 的電容值變化是具有與列中所示的符號(hào)相反的符號(hào)的值。通過參考第二部分所述的僅包括兩個(gè)柱狀件的裝置的變形狀態(tài)，可很容易理解當(dāng) 單獨(dú)施加六個(gè)力時(shí)八個(gè)電容元件Cxl至Cx4和Cyl至Cy4的靜態(tài)電容值如圖26中的表所 示地變化的原因。例如，當(dāng)僅施加力+Fx時(shí)，如圖22所示，在設(shè)置引導(dǎo)件410至440的環(huán)境下，考慮 上基板100水平向右移動(dòng)的狀態(tài)。此時(shí)，一對(duì)Y軸柱狀件Py3和Py4的傾斜形式和一對(duì)Y 軸柱狀件Pyl和Py2的傾斜形式與圖3A和圖3B所示的一對(duì)柱狀件Pl和P2的傾斜形式相 同。因此，電容元件Cy3的電容值增大，且電容元件Cy4的電容值減小。電容元件Cyl的電 容值增大，且電容元件Cy2的電容值減小。圖26的表的行“+Fx”中的且在“Cyl至Cy4列” 中的標(biāo)記“+ Δ、- Δ、+ Δ、- Δ ”就基于這些電容變化的結(jié)果。另一方面，如圖22所示，在不施加外力的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，四個(gè)X軸柱狀件Pxl至Px4 相對(duì)于Y軸方向傾斜，但是不在X軸方向上傾斜。因此，當(dāng)通過施加外力+Fx來向右水平移 動(dòng)上基板100時(shí)，四個(gè)X軸柱狀件Pxl至Px4在圖中向右傾斜，并且這些柱狀件的傾斜形式 與圖2B所示的一對(duì)柱狀件41和42的傾斜形式相同。然而，在圖2B所示的傳統(tǒng)裝置的情況下，以一對(duì)電容元件Cl與C2之間的電容 值差“C2-C1”測(cè)量柱狀件41的傾斜角度，并且以一對(duì)電容元件C3與C4之間的電容值差 “C4-C3”測(cè)量柱狀件42的傾斜角度。另一方面，在本發(fā)明中，如圖18所示，為了檢測(cè)柱狀件 Px2的位移，僅提供一個(gè)電容元件Cx2(下膜部Dx2和固定電極Ex2)，并且為了檢測(cè)柱狀件 Px4的位移，僅提供一個(gè)電容元件Cx4(下膜部Dx4和固定電極Ex4)。因此，即使當(dāng)柱狀件 Px2和Px4在圖中向右傾斜且下膜部Dx2和Dx4變形時(shí)，電容元件Cx2和Cx4的電極-電極 距離在圖的右半部中減小，并在圖的左半部中增大，從而對(duì)于電容元件Cx2和Cx4而言，總 體的靜態(tài)電容值沒有變化。圖26的表的行“+Fx”中的且在“Cxi至Cx4列”中的標(biāo)記“0” 就基于這些結(jié)果。通過將僅施加力+Fx時(shí)的變形狀態(tài)圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)45度，可獲得僅施加力+Fy時(shí)的 變形狀態(tài)，從而獲得這樣的結(jié)果電容元件Cxl至Cx4的電容值變化與電容元件Cyl至Cy4 的電容值變化彼此替換。圖26的表的行“+Fy”就基于這些結(jié)果。接下來，考慮僅施加力+Fz的情況。在此情況下，對(duì)于所有八個(gè)柱狀件，獲得如圖 4A所示的變形形式。因此，八個(gè)電容元件Cxl至Cx4和Cyl至Cy4的所有電容值都減小。 圖26的表的行“+Fz”就基于這些結(jié)果。然后，考慮僅施加力矩的情況。這里，為了便于描述，首先，如圖24所示，考慮僅施 加圍繞Y軸的力矩+My時(shí)的變形狀態(tài)。在此情況下，上基板100的右半部向下移動(dòng)，而左半 部向上移動(dòng)。因此，對(duì)于設(shè)置在右半部中的四個(gè)柱狀件Pxl、Px2、Pyl和Py3的下端，施加 了一向下的力，并且用于這些柱狀件的下膜部向下翹曲。結(jié)果，電容元件Cxi、Cx2、Cyl和
46Cy3的電極_電極距離減小，因而電容值增大。另一方面，對(duì)于設(shè)置在左半部中的四個(gè)柱狀 件Px3、Px4、Py2和Py4的下端，施加了一向上的力，并且下膜部向上翹曲。結(jié)果，電容元件 Cx3、Cx4、Cy2和Cy4的電極-電極距離增大，因而電容值減小。因此，設(shè)置在圖的右半部中的電容元件Cxl、Cx2、Cyl和Cy3的電容值增大，而設(shè)置 在圖的左半部中的電容元件Cx3、Cx4、Cy2和Cy4的電容值減小，并且各電容元件中增大或 減小的程度不同。例如，當(dāng)圖24所示的柱狀件Px2與柱狀件Py3相比時(shí)，柱狀件Px2相對(duì) 于X軸方向設(shè)置在上基板100的外側(cè)，并且相對(duì)于X軸方向不傾斜，從而根據(jù)力矩+My在上 下方向上的位移量相對(duì)大。另一方面，柱狀件Py3相對(duì)于X軸方向設(shè)置在上基板100的內(nèi) 側(cè)，并且相對(duì)于X軸方向傾斜，從而根據(jù)力矩+My在上下方向上的位移量相對(duì)小。圖26的表的行“+My”就基于這些結(jié)果。具體地，對(duì)于設(shè)置在圖的右半部中的電容 元件Cxi、Cx2、Cyl和Cy3而言，示出了結(jié)果“ + ”，而對(duì)于設(shè)置在圖的左半部中的電容元件 Cx3、Cx4、Cy2和Cy4而言，示出了結(jié)果“_”。對(duì)于根據(jù)力矩+My在上下方向上具有相對(duì)大位 移量的電容元件Cxl至Cx4，示出了表示大電容值波動(dòng)量的“ Δ ”，并且對(duì)于根據(jù)力矩+My在 上下方向上具有相對(duì)小位移量的電容元件Cyl至Cy4，示出了表示小電容值波動(dòng)量的“ δ ”。 括號(hào)中的標(biāo)記“ δ ”是為了表明，如后面所述，當(dāng)獲得具有相對(duì)低準(zhǔn)確性的檢測(cè)值就足夠時(shí)， 可將“ δ ”大致認(rèn)為是δ = 0。僅施加力矩+Mx時(shí)的變形狀態(tài)與通過將僅施加力矩+My時(shí)的變形狀態(tài)圍繞Z軸旋 轉(zhuǎn)45度而獲得的狀態(tài)相等，因此，基于上述相同的概念，獲得電容元件的電容值變化。圖26 的表中的行“+Μχ”就基于這些結(jié)果。最后，考慮僅施加力矩+Mz的情況。在此情況下，如圖25所示，上基板100旋轉(zhuǎn)， 從而所有八個(gè)柱狀件在根據(jù)上基板100旋轉(zhuǎn)方向的方向上傾斜。通過參考圖21的平面圖 可容易地理解各柱狀件的具體傾斜形式。圖21所示的陰影圓圈表示柱狀件的上端面。當(dāng) 施加力矩+Mz時(shí)，這些上端面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，四個(gè)柱狀件Pxl、Py2、Px4和Py3在上升方 向上傾斜，從而對(duì)柱狀件的下端施加一向下的力，并且用于這些柱狀件的下膜部向下翹曲。 結(jié)果，電容元件Cxl、Cy2、Cx4和Cy3的電極-電極距離減小，因而它們的電容值增大。另一 方面，其余四個(gè)柱狀件Px2、PyU Px3和Py4在放下方向上傾斜，而對(duì)這些柱狀件的下端施 加一向上的力，并且用于這些柱狀件的下膜部向上翹曲。結(jié)果，電容元件Cx2、Cyl、Cx3和 Cy4的電極-電極距離增大，因而它們的電容值減小。圖26的表中的行“+Mz”就基于這些 結(jié)果。這里，不再必須描述的是當(dāng)施加負(fù)力-Fx、-Fy、_Fz、-Mx, -My和-Mz時(shí)的電容值 變化是具有與圖26的表的各列中所示的符號(hào)相反的符號(hào)的電容值變化。圖26的表中所示 的結(jié)果基于這樣的假設(shè)如圖21的平面圖所示，第一 X軸柱狀件Pxl在XY平面上的正正交 投影圖像(positive orthogonal projection image)和第一 Y軸柱狀件Pyl在XY平面上 的正正交投影圖像位于XY坐標(biāo)系的第一象限中，第三X軸柱狀件Px3在XY平面上的正正 交投影圖像和第二 Y軸柱狀件Py2在XY平面上的正正交投影圖像位于XY坐標(biāo)系的第二象 限中，第四X軸柱狀件Px4在XY平面上的正正交投影圖像和第四Y軸柱狀件Py4在XY平 面上的正正交投影圖像位于XY坐標(biāo)系的第三象限中，并且第二 X軸柱狀件Ρχ2在XY平面 上的正正交投影圖像和第三Y軸柱狀件Py3在XY平面上的正正交投影圖像位于XY坐標(biāo)系 的第四象限中。
圖26的表所示的結(jié)果基于采用如下結(jié)構(gòu)的假設(shè)第一至第四X軸柱狀件Pxl至 Px4傾斜，使得它們的上端變得比下端更靠近XZ平面，且第一至第四Y軸柱狀件Pyl至Py4 傾斜，使得它們的上端變得比下端更靠近YZ平面(換句話說，當(dāng)從前側(cè)或橫向側(cè)觀察時(shí)，一 對(duì)柱狀件以倒V形傾斜)。當(dāng)然，也可采用與上述結(jié)構(gòu)相反的結(jié)構(gòu)，即，在該結(jié)構(gòu)中，第一至 第四X軸柱狀件Pxl至Px4傾斜，使得它們的下端變得比上端更靠近XZ平面，且第一至第 四Y軸柱狀件Pyl至Py4傾斜，使得它們的下端變得比上端更靠近YZ平面(換句話說，當(dāng) 從前側(cè)或橫向側(cè)觀察時(shí)，一對(duì)柱狀件以V形傾斜)。在此情況下，在圖26的表中的某些列中 示出的符號(hào)是相反的。從圖26的表中所示的結(jié)果，可以理解，基于八個(gè)電容元件Cxl至Cx4和Cyl至Cy4 的靜態(tài)電容值(即，八個(gè)下膜部在Z軸方向上的位移)，可彼此獨(dú)立地檢測(cè)六個(gè)力Fx、Fy、 Fz、Mx、My和Mz。換句話說，可通過基于八個(gè)靜態(tài)電容值Cxl至Cx4和Cyl至Cy4的算術(shù)運(yùn) 算來計(jì)算六個(gè)力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz。然而，為了簡(jiǎn)化算術(shù)運(yùn)算，在裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分優(yōu)選地是確保幾何對(duì)稱性。實(shí)際 上，在所示裝置中，保持這種對(duì)稱性。具體地，在圖8所示裝置的情況下，包括上基板100、下 基板200和八個(gè)柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4的主結(jié)構(gòu)體關(guān)于XZ平面對(duì)稱，且關(guān)于YZ 平面也對(duì)稱。換句話說，這意味著，包括八個(gè)柱狀件、八個(gè)上膜部和八個(gè)下膜部的結(jié)構(gòu)體關(guān) 于XZ平面對(duì)稱，且關(guān)于YZ平面也對(duì)稱，并且當(dāng)施加彼此幾何對(duì)稱的兩個(gè)外力時(shí)，在結(jié)構(gòu)體 中導(dǎo)致的變形形式也是幾何對(duì)稱的。例如，施加力+Fx時(shí)的變形狀態(tài)和施加力-Fx時(shí)的變形狀態(tài)是關(guān)于YZ平面彼此鏡 像的關(guān)系。施加力+Fx時(shí)的變形狀態(tài)與通過將施加力+Fy時(shí)的變形狀態(tài)圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)90 度而獲得的狀態(tài)相等。在所示裝置中，對(duì)于輔助基板300也確保相同的幾何對(duì)稱性，然而， 輔助基板300是執(zhí)行支撐固定電極的角色的結(jié)構(gòu)體，并且只要八個(gè)固定電極具有對(duì)稱性， 那么輔助基板300本身也可不具有對(duì)稱性。當(dāng)確保這種幾何對(duì)稱性時(shí)，在圖26的表中，至少屬于相同行的“ Δ ”和“ δ ”的絕對(duì) 值變成彼此相等。此外，屬于“+Fx”行的各列中的“ Δ，，的絕對(duì)值與屬于“+Fy”行的各列中 的“Δ”的絕對(duì)值變成彼此相等，并且屬于行“+Mx”的各列中的“Δ”和“ δ ”的絕對(duì)值與屬 于行“+My”的各列中的這些絕對(duì)值變成彼此相等。因此，通過圖27所示的算術(shù)運(yùn)算，可獲 得六個(gè)力 Fx、Fy、Fz、Mx、My 和 Mz 的檢測(cè)值 V (Fx) *、V (Fy) *、V (Fz)、V (Mx)、V (My)和 V (Mz)。 這里，具有“*”標(biāo)記的檢測(cè)值V(Fx)*和V(Fy廣是當(dāng)δ =0時(shí)的近似值。在下文中，描述了根據(jù)圖27所示的算術(shù)表達(dá)式，可獲得六個(gè)力Fx、Fy、Fz、Mx、My 和Mz的檢測(cè)值。首先，通過基于表達(dá)式“(Cyl-Cy2) + (Cy3-Cy4)，，的算術(shù)運(yùn)算可獲得力Fx 的檢測(cè)值(近似值)V(FX)*。具體地，在圖26的表中，通過對(duì)屬于行“+Fx”的各列基于表達(dá) 式執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，獲得值“4Δ ”，并且這表示所施加的力Fx。當(dāng)運(yùn)算值為正時(shí)，這表示已經(jīng) 施加了力+Fx，而當(dāng)運(yùn)算值為負(fù)時(shí)，這表示已經(jīng)施加了力-Fx。這里，當(dāng)δ =0時(shí)，對(duì)屬于除 了 “+Fx”以外的五行的各列基于上述表達(dá)式執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算的所有結(jié)果變成零。這表示，當(dāng) 假設(shè)δ =0時(shí)，根據(jù)算術(shù)表達(dá)式獲得的檢測(cè)值V(Fx廣變成僅包含所施加力的分量Fx的值。類似地，通過基于表達(dá)式“(CX1-CX2) + (CX3-CX4)，，的算術(shù)運(yùn)算，可獲得力Fy的檢 測(cè)值(近似值)V(Fy)*。從對(duì)屬于圖26的表中的行“+Fy”的各列基于表達(dá)式執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算 的結(jié)果可容易理解其原因。當(dāng)假設(shè)δ =0時(shí)，運(yùn)算值也變成僅包含所施加力的分量Fy的
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另一方面，基于以下表達(dá)式的算術(shù)運(yùn)算可獲得力Fz的檢測(cè)值算術(shù)表達(dá)式No. 1 “ -(Cxl+Cx2+Cx3+Cx4+Cyl+Cy2+Cy3+Cy4) ”，或算術(shù)表達(dá)式 No. 2 (Cxl+Cx2+Cx3+Cx4) ”，或 算術(shù)表達(dá)式No. 3 "-(Cyl+Cy2+Cy3+Cy4) ”。算術(shù)表達(dá)式No. 1表示這樣的算術(shù)運(yùn)算將所有 八個(gè)電容元件的電容波動(dòng)值加和，然后將符號(hào)反過來。屬于圖26的表中的行“+Fz”的所有 列顯示“-△ ”，從而，通過將它們加和且使符號(hào)反過來，獲得值“8 △ ”。此值表示所施加的力 Fz，并且當(dāng)運(yùn)算值為正時(shí)，這表示已經(jīng)施加了力+Fz，當(dāng)運(yùn)算值為負(fù)時(shí)，這表示已經(jīng)施加了 力-Fz。這里，對(duì)屬于除了 “+Fz”以外的五行的各列基于上述表達(dá)式執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算的所有 結(jié)果變成零(在此情況下，并不總是需要δ =0)。這表示，根據(jù)算術(shù)表達(dá)式獲得的檢測(cè)值 V(Fz)僅包含所施加力的分量Fz。即使通過使用算術(shù)表達(dá)式No. 2或3而不是算術(shù)表達(dá)式 No. 1來執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，也可獲得相同的結(jié)果。然而，當(dāng)使用算術(shù)表達(dá)式No. 1時(shí)，算術(shù)運(yùn)算的 結(jié)果看起來精確度變得最高，從而，在實(shí)際使用中優(yōu)選地使用算術(shù)表達(dá)式No. 1。接下來，通過基于表達(dá)式“(Cy3+Cy4)-(Cyl+Cy2)，，的算術(shù)運(yùn)算，可獲得力矩Mx的 檢測(cè)值。具體地，在圖26的表中，通過對(duì)屬于行“+Mx”的各列基于表達(dá)式來執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算， 獲得值“4 Δ ”，并且這表示所施加的力矩Mx。當(dāng)運(yùn)算值為正時(shí)，這表示已經(jīng)施加了力+Mx， 當(dāng)運(yùn)算值為負(fù)時(shí)，這表示已經(jīng)施加了力-Mx。這里，對(duì)屬于除了 “+Mx”以外的五行的各列基 于上述算術(shù)表達(dá)式執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算的所有結(jié)果變成零(在此情況下，并不總是需要δ =0)。 這表示，根據(jù)上述表達(dá)式獲得的檢測(cè)值V(Mx)變成僅包含所施加力的分量Fx的值。類似地，通過基于表達(dá)式“(CX1+CX2)-(CX3+CX4)，，的算術(shù)運(yùn)算，可獲得力矩My的 檢測(cè)值V(My)。通過參考對(duì)屬于圖26的表中的行“+My”的各列基于表達(dá)式執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算的 結(jié)果可容易理解其原因。此運(yùn)算值也僅包含所施加力的分量My。最后，通過基于表達(dá)式“(CXl-CX2)+ (CX4-CX3) + (Cy2-Cyl) + (Cy3-Cy4)，，的算術(shù)運(yùn) 算，可獲得力矩Mz的檢測(cè)值。具體地，在圖26的表中，通過對(duì)屬于行“+Mz”的各列基于表 達(dá)式執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，獲得值“8Δ”，并且這表示所施加的力矩Mz。當(dāng)運(yùn)算值為正時(shí)，這表示 已經(jīng)施加了力+Mz，而當(dāng)運(yùn)算值為負(fù)時(shí)，這表示已經(jīng)施加了力-Mz。這里，對(duì)屬于除了 “+Mz” 以外的五行的各列基于上述表達(dá)式執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算的所有結(jié)果變成零(在此情況下，并不總 是需要δ =0)。這表示，根據(jù)算術(shù)表達(dá)式獲得的檢測(cè)值V(Mz)變成僅包含所施加力的分量 Mz的值。最終，在圖8所示的力檢測(cè)裝置中，通過提供具有檢測(cè)八個(gè)電容元件Cxl至Cx4和 Cyl至Cy4的靜態(tài)電容波動(dòng)值作為電信號(hào)的功能的檢測(cè)電路500、利用這些電信號(hào)基于上面 描述的上述算術(shù)表達(dá)式執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、以及獲得與作為算術(shù)運(yùn)算結(jié)果而獲得的值相對(duì)應(yīng)的 信號(hào)值作為六個(gè)力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz的檢測(cè)值，可從檢測(cè)電路500輸出所述檢測(cè)值。 具體地，例如，檢測(cè)電路500可包括將電容元件的靜態(tài)電容值轉(zhuǎn)換成電壓值的C/V轉(zhuǎn)換器和 執(zhí)行對(duì)這些電壓值進(jìn)行加減運(yùn)算的模擬算術(shù)單元。當(dāng)然，也可用數(shù)字算術(shù)單元或微處理器 代替模擬算術(shù)單元。如上所述，圖26的表中的“ δ ”表示小于“ Δ，，的波動(dòng)量，從而可將δ近似地處理 為δ = 0。在圖27所示的算術(shù)表達(dá)式中，V(Fx廣和V(Fy廣是基于此處理而獲得的近似值。 然而，當(dāng)需要更高精度的檢測(cè)時(shí)，可根據(jù)以下方法獲得精確的檢測(cè)值。
首先，通過使用實(shí)際裝置，執(zhí)行僅對(duì)施力點(diǎn)Q施加力矩My的實(shí)驗(yàn)。具體地，如圖24 所示，施加沿著弧形軌跡T移動(dòng)施力點(diǎn)Q的力。例如，允許制備一些圍繞作為中心軸線的Y 軸施加旋轉(zhuǎn)力的驅(qū)動(dòng)裝置，并且對(duì)施力點(diǎn)Q施加該旋轉(zhuǎn)力。此時(shí)，測(cè)量電容元件的靜態(tài)電容 值，并且根據(jù)圖27的算術(shù)表達(dá)式，獲得檢測(cè)值V(My)和V(Fx)*。圖28的圖示出了此實(shí)驗(yàn)的 結(jié)果。該圖的水平軸表示用實(shí)驗(yàn)方法施加的力矩My的實(shí)際值，并且該圖的豎直軸表示此時(shí) 獲得的檢測(cè)值(基于圖27表達(dá)式的運(yùn)算值)。由實(shí)線示出的向右上方傾斜的圖形表示運(yùn)算 值V (My)，并且由虛線示出的向右下方傾斜的圖形表示運(yùn)算值V (Fx)*0在此實(shí)驗(yàn)中，僅施加力矩My，從而原則上，僅輸出由實(shí)線圖形所示的檢測(cè)值My，并 且不應(yīng)輸出由虛線圖形所示的檢測(cè)值Fx。雖然原理這樣但輸出檢測(cè)值Fx的原因是因?yàn)樵?實(shí)際中“δ =0”并不是真的。換句話說，運(yùn)算值V(Fx廣不僅包含所檢測(cè)的分力Fx，而且包 含所檢測(cè)的分力矩My，并且這表示其他軸的干涉。通過實(shí)驗(yàn)獲得的圖28的虛線圖形表示所 檢測(cè)的分力矩My。因此，為了精確地僅獲得分力Fx，允許執(zhí)行從運(yùn)算值V(Fx廣排除所檢測(cè)的分力矩 My(S卩，由圖28的虛線圖形所示的分量)的算術(shù)運(yùn)算。如圖28所示，在本發(fā)明力檢測(cè)裝置的情況下，除非施加特別大的力并導(dǎo)致特別大 的變形，否則獲得六個(gè)力檢測(cè)值的基本線性的輸出。這表示，通過用圖28所示的實(shí)線圖形 來獲得虛線圖形。具體地，將施加特定力矩My時(shí)獲得的由圖28中的交替長短虛線表示的運(yùn) 算值V(My)和V (Fx廣分別定義為kl和k2(在圖28實(shí)例的情況下，kl為正，k2為負(fù))，當(dāng)施 加任意力矩My時(shí)，運(yùn)算值V(My)與V(Fx廣的比值變成kl k2。因此，通過實(shí)驗(yàn)提前獲得 kl和k2作為系數(shù)，當(dāng)施加任意力矩My時(shí)，根據(jù)k2/kl · V(My)獲得包含在所獲得的V (Fx廣 中的所檢測(cè)的分力矩My(由力矩My導(dǎo)致的其他軸干涉分量)的絕對(duì)值。因此，根據(jù)圖29所示算術(shù)表達(dá)式V (Fx) = V (Fx) *-k2/kl · V (My)，可獲得力Fx的 去除了此其他軸干涉分量的精確檢測(cè)值V(Fx)。類似地，當(dāng)通過實(shí)驗(yàn)施加任意力矩Mx時(shí)，通 過獲得運(yùn)算值V(Mx)與V(Fy廣的比值“k3 k4”，根據(jù)以下算術(shù)表達(dá)式V(Fy) = V(Fy)*-k4/ k3 ·ν(Μχ)，可獲得力Fy的去除了此其他軸干涉分量的精確檢測(cè)值V(Fy)。通過使用如上所 述實(shí)際裝置的實(shí)驗(yàn)可獲得系數(shù)kl至k4，然而，除此之外，也可通過使用有限元方法的計(jì)算 機(jī)模擬等來獲得系數(shù)kl至k4。最終，為了獲得力Fx和力Fy的精確值，允許通過實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)模擬提前獲得系數(shù) kl至k4，并且通過基于以下算術(shù)表達(dá)式利用這些系數(shù)來使檢測(cè)電路500執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算V(Fx) = (Cyl-Cy2) + (Cy3-Cy4)-k2/kl ‘ V(My)V(Fy) = (Cxl"Cx2) + (Cx3"Cx4)-k4/k3 -V(Mx)并且輸出對(duì)應(yīng)于這些運(yùn)算結(jié)果的信 號(hào)值作為力Fx和力Fy的精確檢測(cè)值。當(dāng)提供本發(fā)明的裝置作為工業(yè)產(chǎn)品時(shí)，如果在產(chǎn)品規(guī)格中必須描述原點(diǎn)0的精確 位置，那么可通過利用實(shí)際裝置進(jìn)行實(shí)際測(cè)量來獲得原點(diǎn)0的精確位置。具體地，例如，在 圖3A和圖3B所示的裝置中，將一施力桿(application bar)接合至上基板10的上表面中 心位置，以垂直豎立。然后，將施力點(diǎn)定義在施力桿的高度h的位置處(將上基板10的上 表面的高度定義為參考h = 0時(shí))，并且通過對(duì)施力點(diǎn)施加沿X軸方向的固定力(例如，ION 的力)來執(zhí)行實(shí)驗(yàn)。在此情況下，不管施力點(diǎn)的高度h是多少，X軸方向的力Fx的檢測(cè)值 固定，然而，圍繞Y軸的力矩My的檢測(cè)值根據(jù)施力點(diǎn)的高度h而線性地變化(隨著h變高，
50檢測(cè)值的絕對(duì)值也變高)。因此，對(duì)于多個(gè)高度h，獲得力矩My的檢測(cè)值，制備示出h和My 之間的線性關(guān)系的圖形，并且通過從此圖形外推使My = 0的高度h(該高度低于上基板10， 并且變成負(fù)值)，則與Z軸上的高度h相對(duì)應(yīng)的位置是此裝置的原點(diǎn)0?！兜谖宀糠帧繁景l(fā)明力檢測(cè)裝置的示例性變型在下文中，將描述第二部分至第四部分中所述的本發(fā)明力檢測(cè)裝置的各種示例性變型。<5-1 使用環(huán)形凹槽的示例性變型>在第三部分描述的實(shí)際實(shí)施方式中，在上基板100和下基板200與柱狀件的連接 位置處，形成有上凹槽Gxl至Gx4和Gyl至Gy4與下凹槽Hxl至Hx4和Hyl至Hy4，各個(gè)上 凹槽的底部形成上膜部Bxl至Bx4和Byl至By4，并且各個(gè)下凹槽的底部形成下膜部Dxl至 Dx4和Dyl至Dy4。在這里描述的示例性變型中，通過將各個(gè)凹槽彼此連結(jié)(coupling)來 形成環(huán)形凹槽。圖30是示出了作為圖10的上基板100的示例性變型的上基板110的俯視圖。如 所示出的，在上基板Iio的下表面上，形成有上環(huán)形凹槽GG以便連結(jié)八個(gè)柱狀件的連接位 置。此上環(huán)形凹槽GG是連結(jié)圖10所示的八個(gè)上凹槽Gxl至Gx4和Gyl至Gy4的環(huán)形凹槽。 在凹槽的底部，形成有凸起bxl至bx4和byl至by4，并且與第三部分描述的實(shí)施方式的情 況一樣，柱狀件的上端接合至這些凸起。在此示例性變型中，在其中形成上環(huán)形凹槽GG的 整個(gè)環(huán)形區(qū)域形成具有撓性的上膜部，并且特別地，凸起bxl至bx4和byl至by4的外圍部 分用作上膜部Bxl至Bx4和Byl至By4。當(dāng)然，可在上基板110的上表面上形成上環(huán)形凹槽GG。也就是說，在此示例性變型 中，允許在上基板110的上表面?zhèn)然蛳卤砻鎮(zhèn)壬?，形成連結(jié)柱狀件的連接位置的上環(huán)形凹 槽GG，并且此上環(huán)形凹槽GG的底部的各部分形成第一至第四X軸上膜部Bxl至Bx4和第一 至第四Y軸上膜部Byl至By4。另一方面，圖31是示出了作為圖12的下基板200的示例性變型的下基板210的 俯視圖。如所示出的，在下基板210的上表面上，形成有下環(huán)形凹槽HH以便連結(jié)八個(gè)柱狀 件的連接位置。此下環(huán)形凹槽HH是連結(jié)圖12所示的八個(gè)下凹槽Hxl至Hx4和Hyl至Hy4 的環(huán)形凹槽。在凹槽的底部上，形成有凸起dxl至dx4和dyl至dy4，并且與第三部分描述 的實(shí)施方式的情況一樣，柱狀件的下端接合至這些凸起。在此示例性變型中，在其中形成下 環(huán)形凹槽HH的整個(gè)環(huán)形區(qū)域形成具有撓性的下膜部，并且特別地，凸起dxl至dx4和dyl 至dy4的外圍部分用作下膜部Dxl至Dx4和Dyl至Dy4。當(dāng)然，可在下基板210的下表面上形成下環(huán)形凹槽HH。也就是說，在此示例性變型 中，允許在下基板210的上表面上或下表面上，形成連結(jié)柱狀件的連接位置的下環(huán)形凹槽 HH,并且該下環(huán)形凹槽HH的底部的各部分形成第一至第四X軸下膜部Dxl至Dx4和第一至 第四Y軸下膜部Dyl至Dy4。圖32是示出了作為圖14的輔助基板300的示例性變型的輔助基板310的俯視圖。 如所示出的，在輔助基板310的上表面上，形成有輔助環(huán)形凹槽KK以連結(jié)八個(gè)柱狀件的連 接位置。此輔助環(huán)形凹槽KK是連結(jié)圖14所示的八個(gè)輔助凹槽Kxl至Kx4和Kyl至Ky4的 環(huán)形凹槽。與第三部分描述的實(shí)施方式的情況一樣，在凹槽的底面上，形成有固定電極Exl 至 Ex4 和 Eyl 至 Ey4。
也就是說，在此示例性變型中，允許在輔助基板310的上表面上形成環(huán)形輔助凹 槽KK，其連結(jié)第一至第四X軸下膜部Dxl至Dx4下方的位置并連結(jié)第一至第四Y軸下膜部 Dyl至Dy4下方的位置，并且在此環(huán)形輔助凹槽KK的底面上，形成有第一至第四X軸固定電 極Exl至Ex4和第一至第四Y軸固定電極Eyl至Ey4。<5-2 使用撓性基板的示例性變型>在上述實(shí)施方式中，在上基板和下基板中挖出凹槽，并且作為這些凹槽的底部，形 成具有撓性的上膜部和下膜部。在這里描述的示例性變型中，上基板和下基板形成為整體 具有撓性的基板，并且該撓性基板部分地用作上述實(shí)施方式的上膜部和下膜部。圖33是示出了使用這種撓性基板的本發(fā)明示例性變型的力檢測(cè)裝置的正視圖。 此示例性變型的裝置的基本操作與圖8所示實(shí)際實(shí)施方式的裝置的基本操作完全相同，并 且基于八個(gè)柱狀件的位移，可檢測(cè)六個(gè)力分量。然而，八個(gè)柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4的上端直接連接至由撓性基板形成的 上基板150的下表面，并且下端直接連接至由撓性基板形成的下基板250的上表面。這里， 上基板150和下基板250是如圖34的透視圖中所示的盤形基板，并且它們的厚度設(shè)置成使 得基板整體是撓性的。例如，當(dāng)上基板150和下基板250由鋁或不銹鋼制成時(shí)，通過將其厚 度設(shè)置為不大于3. 0mm，可確保不妨礙力檢測(cè)裝置的普通操作的撓性。圖35是示出了圖33所示力檢測(cè)裝置中的下基板250和附接至下基板250的上表 面的八個(gè)柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4的平面圖。這里，圖中的陰影部分并非示出截面， 而是示出了柱狀件的上端面。在圖35中，下基板250是整體具有撓性的基板，并且當(dāng)柱狀件Pxl至Px4和Pyl 至Py4位移時(shí)，下基板250的與柱狀件下端連接的各部分通常被大幅翹曲。因此，撓性基板 250 (下基板)的分別與柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4的下端連接的各部分附近用作第 一至第四X軸下膜部Dxl至Dx4和第一至第四Y軸下膜部Dyl至Dy4。類似地，撓性基板 150 (上基板)的分別與柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4的上端連接的各部分附近用作第一 至第四X軸上膜部Bxl至Bx4和第一至第四Y軸上膜部Byl至By4。如圖33的正視圖所示，在此示例性變型的裝置的情況下，一連結(jié)件130牢固地固 定至上基板150的上表面的中心部分，并且用于接收作為檢測(cè)目標(biāo)的力的力接收器120被 接合在連結(jié)件130上方。這樣設(shè)置的原因是因?yàn)樯匣?50是撓性基板，并且當(dāng)作為檢測(cè) 目標(biāo)的外力直接施加至上基板150時(shí)，外力直接影響上基板150本身的翹曲，并且這可能阻 礙精確測(cè)量。通過采用在其中設(shè)置所示力接收器120的結(jié)構(gòu)，使得作為檢測(cè)目標(biāo)的外力施 加至力接收器120，然后使得該力通過連結(jié)件130傳遞至上基板150，更精確測(cè)量變得可行。連結(jié)件130并非必須設(shè)置在上基板150的中心部分。也就是說，允許將連結(jié)件130 牢固地固定至上基板150的上表面的除了基本上用作第一至第四X軸上膜部Bxl至Bx4的 部分和基本上用作第一至第四Y軸上膜部Byl至By4的部分以外的預(yù)定位置，并且用于接 收作為檢測(cè)目標(biāo)的力的力接收器120被接合在連結(jié)件130上方。類似地，在此示例性變型的裝置的情況下，一間隔件330牢固地固定至下基板250 的下表面的中心部分，并且在間隔件330的下方接合有用于支撐固定電極Exl至Ex4和Ey 1至Ey4的輔助基板340。這也是為了防止由于下基板250的撓性而導(dǎo)致的下基板250的 翹曲受輔助基板340阻礙。如所示出的，通過采用輔助基板340通過間隔件330接合至下基板250的結(jié)構(gòu)，更精確測(cè)量變得可能。間隔件330并非必須設(shè)置在下基板250的中心部分。也就是說，允許間隔件330 牢固地固定至下基板250的下表面的除了基本上用作第一至第四X軸下膜部Dxl至Dx4的 部分和基本上用作第一至第四Y軸下膜部Dyl至Dy4的部分以外的預(yù)定位置，并且在間隔 件330的下方牢固地固定有輔助基板340，且第一至第四X軸固定電極Exl至Ex4和第一至 第四Y軸固定電極Eyl至Ey形成于輔助基板340的上表面上。在圖33所示的示例性變型中，當(dāng)一個(gè)柱狀件的上端或下端沿Z軸方向位移時(shí)，如 果上基板150和下基板250具有足夠的撓性，那么，僅在此柱狀件的連接部分附近出現(xiàn)由沿 Z軸方向的此位移導(dǎo)致的基板翹曲。然而，在實(shí)際中，當(dāng)上基板150和下基板250由金屬等 制成時(shí)，由一個(gè)柱狀件的位移導(dǎo)致的翹曲可能擴(kuò)展至相鄰柱狀件的連接部分附近。如果出 現(xiàn)此現(xiàn)象，一個(gè)傳感器檢測(cè)相鄰柱狀件的位移，因而精確測(cè)量變得不可能。為了防止此負(fù)面效果，在撓性基板中形成狹縫，以防止由一個(gè)柱狀件的位移導(dǎo)致 的翹曲擴(kuò)展至相鄰柱狀件的連接部分附近。圖36是示出了用于代替圖34所示的上基板(撓性基板)150和下基板(撓性基 板)250的上基板(撓性基板)160和下基板(撓性基板)260的俯視圖。如所示出的，上基 板160和下基板260具有近似正方形的外部形狀，然而，此外形差異不是重要的差異。上基 板160和下基板260的重要特征是具有形成于其中的狹縫S 1至S4。狹縫Sl和S3是沿 著布置軸線Wl從基板的外圍側(cè)朝著中心部分形成的狹縫，而狹縫S2和S4是沿著布置軸線 W2從基板的外圍側(cè)朝著中心部分形成的狹縫。這里，布置軸線Wl和W2是相對(duì)于X軸或Y 軸成45度角的軸線。圖36所示的粗虛線圓表示八個(gè)柱狀件的與上基板160的連接位置，而細(xì)虛線圓表 示八個(gè)柱狀件的與下基板260的連接位置。如所示出的，每個(gè)上基板160和下基板260由 四個(gè)翼形部Jl至J4和在中心位置將翼形部Jl至J4接合在一起的中心部J9構(gòu)成，并且狹 縫Sl至S4用作翼形部Jl至J4的輪廓。這里，第一 X軸柱狀件Pxl和第二 X軸柱狀件Px2布置在翼形部Jl上，且第三X 軸柱狀件Px3和第四X軸柱狀件Px4布置在翼形部J2上。類似地，第一 Y軸柱狀件Pyl和 第二 Y軸柱狀件Py2布置在翼形部J3上，且第三Y軸柱狀件Py3和第四Y軸柱狀件Py4布 置在翼形部J4上。翼形部Jl至J4被狹縫Sl至S4彼此物理地隔開，從而可防止一個(gè)翼形 部的翹曲傳遞至相鄰翼形部。因此，可防止由一個(gè)傳感器檢測(cè)相鄰柱狀件的位移所導(dǎo)致的 誤差。也就是說，在此示例性變型中，允許當(dāng)在撓性基板160和260上定義四個(gè)區(qū)域時(shí) 包括第一 X軸上/下膜部和第二 X軸上/下膜部的區(qū)域(翼形部Jl)、包括第三X軸上/下 膜部和第四X軸上/下膜部的區(qū)域(翼形部J2)、包括第一 Y軸上/下膜部和第二 Y軸上/ 下膜部的區(qū)域(翼形部J3)和包括第三Y軸上/下膜部和第四Y軸上/下膜部的區(qū)域(翼 形部J4)，沿著這四個(gè)區(qū)域的邊界從撓性基板的外圍側(cè)朝著中心部分形成狹縫Sl至S4。例如，第一 X軸柱狀件Pxl和第二 X軸柱狀件Px2布置在翼形部Jl上，并且這對(duì) 柱狀件關(guān)于XZ平面保持幾何對(duì)稱性，從而即使當(dāng)一個(gè)柱狀件上導(dǎo)致的翹曲擴(kuò)展至另一個(gè) 柱狀件的布置區(qū)域時(shí)，這也不會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。當(dāng)然，如果需要的話，還允許沿著X軸和 Y軸形成另外四個(gè)狹縫并且八個(gè)柱狀件連接至八個(gè)翼形部。
<5-3 使用撓性柱狀件的示例性變型>在上述實(shí)施方式中，基于每個(gè)柱狀件本身不翹曲的假設(shè)給出了描述，然而，當(dāng)執(zhí)行 本發(fā)明時(shí)，還允許將每個(gè)柱狀件制成撓性的。在這里描述的示例性變型中，通過使用撓性柱 狀件來構(gòu)造裝置。圖37是示出了具有撓性的柱狀件PP的實(shí)例的透視圖。如所示出的，此柱狀件PP 由上部PPl、收縮部PP2和下部PP3構(gòu)成。收縮部PP2是通過使得直徑小于上部PPl和下部 PP3來構(gòu)造以具有撓性的部分。當(dāng)對(duì)柱狀件PP的上端和下端施加使柱狀件PP變形的外力 時(shí)，僅收縮部PP2變形且柱狀件PP彎曲。因此，通過使用具有撓性的柱狀件PP，可省略上膜部。圖38是示出了使用此柱狀 件PP的示例性變型的力檢測(cè)裝置的縱向截面圖。圖38所示的示例性變型是圖8所示實(shí)際 實(shí)施方式的示例性變型，并且圖38的縱向截面圖與圖19的縱向截面圖(沿著C-C的截面 圖)相對(duì)應(yīng)。將圖19與圖38彼此對(duì)比，可理解，用后一個(gè)圖中的具有如圖37所示的收縮 部的八個(gè)柱狀件PPxl至PPx4和PPyl至PPy4代替前一個(gè)圖中的八個(gè)柱狀件Pxl至Px4和 Pyl至Py4。還可理解，后一個(gè)圖中不形成前一個(gè)圖中的上凹槽Gxl至Gx4和Gyl至Gy4。具體地，圖38所示示例性變型中的上基板105是沒有凹槽的圓盤，并且八個(gè)柱狀 件PPxl至PPx4和PPyl至PPy4的上端直接連接至此圓盤的下表面。換句話說，在圖38所 示的示例性變型中，不提供上膜部Bxl至Bx4和Byl至By4。這是因?yàn)榫哂袚闲缘陌藗€(gè)柱狀 件PPxl至PPx4和PPyl至PPy4可分別用作上膜部Bxl至Bx4和Byl至By4。另一方面， 對(duì)于下基板200，傳感器必須由電容元件構(gòu)成，因而下膜部Dxl至Dx4和Dyl至Dy4是必需 的。通過提供柱狀件PP的一部分(收縮部PP2)使之具有撓性，使得當(dāng)施加外力時(shí)，圖 37所示的柱狀件PP是可變形的，然而，還允許將柱狀件的整體設(shè)置為具有撓性。具體地，通 過用具有撓性的材料制造整個(gè)柱狀件，當(dāng)施加外力時(shí)，允許整個(gè)柱狀件變形。例如，當(dāng)使用 由諸如彈性塑料的材料制成的柱狀件T時(shí)，可將柱狀件本身設(shè)置為具有撓性，無需設(shè)置收 縮部。圖39示出了代替圖38的八個(gè)柱狀件PPxl至PPx4和PPyl至PPy4的由諸如彈性 塑料的材料制成的柱狀件Txl至Tx4和Tyl至Ty4。同樣，在此情況下，柱狀件Txl至Tx4 和Tyl至Ty4本身具有撓性，從而它們可用作上膜部Bxl至Bx4和Byl至By4。因此，可用 沒有凹槽的圓盤作為上基板105。圖40示出了代替圖33所示的示例性變型的八個(gè)柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4 的由諸如彈性塑料的材料制成的柱狀件Txl至Tx4和Tyl至Ty4(當(dāng)然，用圖37所示的柱 狀件PP代替也是可行的)。比較圖33和圖40，可以理解，用后一個(gè)圖中的一個(gè)上基板170 代替前一個(gè)圖中的上基板150、連結(jié)件130和力接收器120。這里，上基板170并非必須具 有撓性，并可直接承受外力。這是因?yàn)榫哂袚闲缘闹鶢罴xl至Tx4和Tyl至Ty4用作上 基板150。<5-4 使用具有任意形狀的結(jié)構(gòu)體的示例性變型>上述實(shí)施方式采用這樣的結(jié)構(gòu)在該結(jié)構(gòu)中，將多個(gè)柱狀件跨過上基板和下基板 布置。然而，當(dāng)執(zhí)行本發(fā)明時(shí)，支撐柱狀件的上部或下部的結(jié)構(gòu)體并非必須是基板狀的結(jié)構(gòu) 體，并且可能是具有任意形狀的結(jié)構(gòu)體。
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例如，在第二部分中描述的本發(fā)明基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置中，采用將兩個(gè)柱 狀件Pl和P2夾在上基板10與下基板20之間的結(jié)構(gòu)，然而，上基板10和下基板20并非必 須是基板狀的結(jié)構(gòu)體，并且可用具有任意形狀的結(jié)構(gòu)體代替。也就是說，足夠的情況是基本實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置包括相對(duì)于在上下方向上 定義的Z軸在預(yù)定方向上傾斜設(shè)置的第一柱狀件和第二柱狀件、設(shè)置在第一柱狀件和第二 柱狀件上方的上結(jié)構(gòu)體、設(shè)置在第一柱狀件和第二柱狀件下方的下結(jié)構(gòu)體、以及基于第一 柱狀件和第二柱狀件的位移輸出表示所施加力的電信號(hào)的檢測(cè)器。此外，足夠的情況是柱狀件的上端直接或間接接合至上結(jié)構(gòu)體的下表面，柱狀件 的下端直接或間接接合至下結(jié)構(gòu)體的上表面，通過將第一柱狀件的中心軸線正交投影到XZ 平面上獲得的投影圖像相對(duì)于Z軸在第一方向上傾斜，并且通過將第二柱狀件的中心軸線 投影到XZ平面上獲得的投影圖像相對(duì)于Z軸在與第一方向相對(duì)的第二方向上傾斜。在上述結(jié)構(gòu)中，通過將“下結(jié)構(gòu)體”的至少一部分和“上結(jié)構(gòu)體、第一柱狀件、第二 柱狀件及其相互連接部分”的至少一部分設(shè)置為具有撓性，在下結(jié)構(gòu)體固定至預(yù)定位置的 狀態(tài)下，當(dāng)對(duì)上結(jié)構(gòu)體施加外力時(shí)，柱狀件的傾斜狀態(tài)可能改變并且上結(jié)構(gòu)體可能位移。然 后，通過提供具有檢測(cè)第一柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第一傳感器和檢測(cè)第二柱 狀件的下端在Z軸方向上的位移的第二傳感器的檢測(cè)器，可輸出表示第一傳感器的檢測(cè)值 與第二傳感器的檢測(cè)值之間的差的電信號(hào)作為在下結(jié)構(gòu)體固定至預(yù)定位置的狀態(tài)下對(duì)上 結(jié)構(gòu)體所施加的沿X軸方向的力Fx的檢測(cè)值。此外，可輸出表示第一傳感器的檢測(cè)值和第 二傳感器的檢測(cè)值之和的電信號(hào)作為在下結(jié)構(gòu)體固定至預(yù)定位置的狀態(tài)下對(duì)上結(jié)構(gòu)體所 施加的沿Z軸方向的力Fz的檢測(cè)值。當(dāng)用電容元件作為每個(gè)傳感器時(shí)，足夠的情況是進(jìn)一步提供固定在下結(jié)構(gòu)體下 方預(yù)定距離處的輔助基板，并且第一傳感器由第一電容元件構(gòu)成，第一電容元件包括形成 于第一柱狀件的下端與下結(jié)構(gòu)體接合的位置處的第一位移電極和在輔助基板的上表面上 固定至與第一位移電極相對(duì)的位置處的第一固定電極，并且第二傳感器由第二電容元件構(gòu) 成，第二電容元件包括形成于第二柱狀件的下端與下結(jié)構(gòu)體接合的位置處的第二位移電極 和在輔助基板的上表面上固定至與第二位移電極相對(duì)的位置處的第二固定電極。在此情況 下，通過用導(dǎo)電材料制造下結(jié)構(gòu)體，第一柱狀件的下端與下結(jié)構(gòu)體接合的部分可用作第一 位移電極，并且第二柱狀件的下端與下結(jié)構(gòu)體接合的部分可用作第二位移電極。另一方面，在第三部分描述的本發(fā)明實(shí)際實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置中，采用八個(gè)柱 狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4夾在上基板100和下基板200之間的結(jié)構(gòu)，然而，同樣在此情 況下，上基板100和下基板200并非必須是基板狀的結(jié)構(gòu)體，并且可以用具有任意形狀的結(jié) 構(gòu)體代替。也就是說，足夠的情況是此實(shí)際實(shí)施方式的力檢測(cè)裝置包括在平行于XY平面的 平面上延伸的上結(jié)構(gòu)體、在平行于XY平面的平面上延伸且設(shè)置在上結(jié)構(gòu)體下方的下結(jié)構(gòu) 體、具有直接或間接接合至上結(jié)構(gòu)體下表面的上端和直接或間接接合至下結(jié)構(gòu)體上表面的 下端的第一至第四X軸柱狀件和第一至第四Y軸柱狀件、以及基于這八個(gè)柱狀件的位移輸 出表示所施加力的電信號(hào)的檢測(cè)器。足夠的情況是第一 X軸柱狀件的中心軸線和第二 X軸柱狀件的中心軸線包含于 在X軸的正區(qū)域中正交于X軸的X軸正側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于XZ平面相互相對(duì)地傾斜；且第三X軸柱狀件的中心軸線和第四X軸柱狀件的中心軸線包含于在X軸的負(fù)區(qū)域中正交 于χ軸的χ軸負(fù)側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于XZ平面相互相對(duì)地傾斜；第一 Y軸柱狀件的中 心軸線和第二 Y軸柱狀件的中心軸線包含于在Y軸的正區(qū)域中正交于Y軸的Y軸正側(cè)正交 平面中，并且相對(duì)于YZ平面相互相對(duì)地傾斜；且第三Y軸柱狀件的中心軸線和第四Y軸柱 狀件的中心軸線包含于在Y軸的負(fù)區(qū)域中正交于Y軸的Y軸負(fù)側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于 YZ平面相互相對(duì)地傾斜。這里，通過提供如下檢測(cè)器包括檢測(cè)第一 X軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移 的第一 X軸傳感器、檢測(cè)第二 X軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第二 X軸傳感器、檢 測(cè)第三X軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第三X軸傳感器、檢測(cè)第四X軸柱狀件的 下端在Z軸方向上的位移的第四X軸傳感器、檢測(cè)第一 Y軸柱狀件的下端在Z軸方向上的 位移的第一 Y軸傳感器、檢測(cè)第二 Y軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第二 Y軸傳感 器、檢測(cè)第三Y軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第三Y軸傳感器、以及檢測(cè)第四Y軸 柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第四Y軸傳感器，在下結(jié)構(gòu)體固定至預(yù)定位置的狀態(tài) 下，可輸出基于傳感器的檢測(cè)值而獲得的電信號(hào)作為施加至上結(jié)構(gòu)體的力的檢測(cè)值。圖41是代替圖33所示力檢測(cè)裝置中的下基板250使用的下結(jié)構(gòu)體280的俯視圖。 圖中所示的下結(jié)構(gòu)體280包括位于Z軸上的中心部289和從此中心部289分別延伸至與第 一至第四X軸柱狀件的下端連接的連接位置和與第一至第四Y軸柱狀件的下端連接的連接 位置的具有撓性的八個(gè)分支部281至288。這里，分支部281至288沿著相對(duì)于X軸或Y軸 成45度的布置軸線Wl或W2延伸。圖中所示的虛線圓表示與柱狀件Pxl至Px4和Pyl至 Py4的下端連接的部分。例如，通過切割鋁板或不銹鋼板，可獲得此下結(jié)構(gòu)體280。八個(gè)分支部281至288 具有撓性，從而在固定中心部289的狀態(tài)下，當(dāng)柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4分別沿Z軸 方向位移時(shí)，分支部281至288根據(jù)各個(gè)相應(yīng)柱狀件的位移而獨(dú)立地翹曲。圖42是示出了代替圖33所示力檢測(cè)裝置中的輔助基板340使用的輔助基板380 的俯視圖。如所示出的，在此輔助基板380的上表面上，形成有八個(gè)固定電極Exl至Ex4和 Eyl至Ey4 (陰影部分示出了電極形狀)。輔助基板380上的八個(gè)固定電極具有的形狀與圖 33所示的輔助基板340上的八個(gè)固定電極的形狀不同，但是執(zhí)行相同的功能，從而為了方 便，用相同的參考標(biāo)號(hào)Exl至Ex4和Eyl至Ey4表示這八個(gè)固定電極。圖42所示的八個(gè)固定電極Exl至Ex4和Eyl至Ey4具有與圖41所示的八個(gè)分支 部281至288相對(duì)的形狀，并且布置在與八個(gè)分支部281至288相對(duì)的位置處。在此實(shí)施 方式的情況下，下結(jié)構(gòu)體280由導(dǎo)電材料制成，從而分支部281至288本身用作位移電極， 并形成與相對(duì)的固定電極Exl至Ex4和Eyl至Ey4配合的八個(gè)電容元件。這里，與上述實(shí) 施方式中一樣，這些電容元件也稱為電容元件Cxl至Cx4和Cyl至Cy4。圖43是示出了使用圖41所示的下結(jié)構(gòu)體280和圖42所示的輔助基板380的示 例性變型的縱向截面圖(沿著XZ平面切開的截面圖)。此示例性變型的基本操作原理與圖 33所示實(shí)施方式的操作原理相同。具體地，施加至力接收器125的外力通過連結(jié)件135傳 遞至上基板155。在此實(shí)例的情況下，上基板155是具有撓性的圓盤，并且在此上基板155 下方設(shè)置下結(jié)構(gòu)體280，并且在它們之間，連接有八個(gè)柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4。這 八個(gè)柱狀件的布置和傾斜狀態(tài)與第三部分中描述的實(shí)際實(shí)施方式的裝置中的布置和傾斜狀態(tài)相同。間隔件335接合至下結(jié)構(gòu)體280的中心部下表面，并且輔助基板380接合至間 隔件335的下表面。這里，下結(jié)構(gòu)體280是包括從圖41的俯視圖中所示的中心部289向外延伸的八個(gè) 分支部280至288的結(jié)構(gòu)體，并且在輔助基板380的上表面上，如圖42的俯視圖所示，形成 有與分支部281至288相對(duì)的固定電極Exl至Ex4和Eyl至Ey4。對(duì)于此構(gòu)造，八個(gè)電容元 件Cxl至Cx4和Cyl至Cy4用作檢測(cè)柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4的下端在Z軸方向上 的位移的傳感器。能夠基于上面第四部分中描述的這八個(gè)電容元件的靜態(tài)電容值來檢測(cè)所 施加外力的六個(gè)分量。具體地，在圖43所示的力檢測(cè)裝置中，第一 X軸傳感器由第一 X軸電容元件Cxl 構(gòu)成，第一 X軸電容元件Cxl包括由延伸至與第一 X軸柱狀件Pxl的下端連接的連接位置 的分支部281形成的第一 X軸位移電極、以及在輔助基板380的上表面上固定至與第一 X 軸位移電極相對(duì)的位置處的第一 X軸固定電極Exl ；第二 X軸傳感器由第二 X軸電容元件 Cx2構(gòu)成，第二 X軸電容元件Cx2包括由延伸至與第二 X軸柱狀件Px2的下端連接的連接 位置的分支部288形成的第二 X軸位移電極、以及在輔助基板380的上表面上固定至與第 二 X軸位移電極相對(duì)的位置處的第二 X軸固定電極Ex2 ；第三X軸傳感器由第三X軸電容 元件Cx3構(gòu)成，第三X軸電容元件Cx3包括由延伸至與第三X軸柱狀件Px3的下端連接的 連接位置的分支部284形成的第三X軸位移電極、以及在輔助基板380的上表面上固定至 與第三X軸位移電極相對(duì)的位置處的第三X軸固定電極Ex3 ；并且第四X軸傳感器由第四X 軸電容元件Cx4構(gòu)成，第四X軸電容元件Cx4包括由延伸至與第四X軸柱狀件Px4的下端 連接的連接位置的分支部285形成的第四X軸位移電極、以及在輔助基板380的上表面上 固定至與第四X軸位移電極相對(duì)的位置處的第四X軸固定電極Ex4。此外，第一 Y軸傳感器由第一 Y軸電容元件Cyl構(gòu)成，第一 Y軸電容元件Cyl包括 由延伸至與第一 Y軸柱狀件Pyl的下端連接的連接位置的分支部282形成的第一 Y軸位移 電極、以及在輔助基板380的上表面上固定至與第一 Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第一 Y 軸固定電極Eyl ；第二 Y軸傳感器由第二 Y軸電容元件Cy2構(gòu)成，第二 Y軸電容元件Cy2包 括由延伸至與第二 Y軸柱狀件Py2的下端連接的連接位置的分支部283形成的第二 Y軸位 移電極、以及在輔助基板380的上表面上固定至與第二 Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第二 Y軸固定電極Ey2 ；第三Y軸傳感器由第三Y軸電容元件Cy3構(gòu)成，第三Y軸電容元件Cy3 包括由延伸至與第三Y軸柱狀件Py3的下端連接的連接位置的分支部287形成的第三Y軸 位移電極、以及在輔助基板380的上表面上固定至與第三Y軸位移電極相對(duì)的位置處的第 三Y軸固定電極Ey3 ；并且第四Y軸傳感器由第四Y軸電容元件Cy4構(gòu)成，第四Y軸電容元 件Cy4包括由延伸至與第四Y軸柱狀件Py4的下端連接的連接位置的分支部286形成的第 四Y軸位移電極、以及在輔助基板380的上表面上固定至與第四Y軸位移電極相對(duì)的位置 處的第四Y軸固定電極Ey4。檢測(cè)器輸出基于以下值獲得的電信號(hào)作為檢測(cè)值第一 X軸電容元件的靜態(tài)電 容波動(dòng)值Cxi、第二 X軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx2、第三X軸電容元件的靜態(tài)電容波 動(dòng)值Cx3、第四X軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx4、第一 Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值 Cyl、第二 Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy2、第三Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy3、 以及第四Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy4。
這里，描述了這樣一個(gè)實(shí)例，其中，下結(jié)構(gòu)體280由導(dǎo)電材料制成，并且分支部281 至288本身用作位移電極，然而，當(dāng)下結(jié)構(gòu)體280由非導(dǎo)電材料制成時(shí)，在分支部281至288 的下表面上形成用作位移電極的導(dǎo)電層就足夠了。當(dāng)使用如圖41所示的包括八個(gè)分支部的下結(jié)構(gòu)體280時(shí)，支撐柱狀件下端的分支 部281至288用作彼此獨(dú)立的懸臂梁，從而提高整個(gè)裝置的位移自由度，并且上基板155的 位移量可能變得非常大。這么大的位移狀態(tài)可能導(dǎo)致檢測(cè)誤差，并導(dǎo)致各零件損壞。因此， 在實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)選地提供用于控制上基板155位移的控制件。圖44是示出了圖43所示裝置容納于裝置殼體460中的狀態(tài)的縱向截面圖?？刂?上基板155位移的控制件附接至此裝置殼體460，并且該控制件可防止上基板155過度地位 移。具體地，圖43所示的裝置容納于裝置殼體460中，并且輔助基板380固定至裝置殼體 460的底面。用具有稍微不同形狀的力接收器126代替圖43所示裝置中的力接收器125。 此力接收器126基本上是盤形件，并且在其周圍提供軸環(huán)部127。另一方面，環(huán)形控制件470通過螺釘471附接至裝置殼體460的上表面。此控制 件470通過與軸環(huán)部127的上表面和側(cè)表面接觸來執(zhí)行限制力接收器126向上和橫向過度 位移的功能。裝置殼體460的上邊緣表面通過與軸環(huán)部127的下表面接觸來限制防止力接 收器126向下過度位移的功能。因此，通過這樣限制力接收器126過度位移，可限制上表面 155過度位移。在圖43和圖44所示的實(shí)例中，用包括八個(gè)分支部的下結(jié)構(gòu)體280代替下基板，當(dāng) 然，也允許用包括八個(gè)分支部的上結(jié)構(gòu)體代替上基板。此外，可用圖41和圖42所示的下結(jié) 構(gòu)體280和輔助基板380代替圖38和圖39所示實(shí)例中的下基板200和輔助基板300，并且 也可用圖41和圖42所示的下結(jié)構(gòu)體280和輔助基板380代替圖40所示實(shí)例中的下基板 250和輔助基板340。除此之外，在不背離本發(fā)明的基本概念的前提下，任意組合都是可能 的。<5-5 使用包括分支部的下結(jié)構(gòu)體時(shí)的附加功能>在圖41至圖44中，示出了使用包括八個(gè)分支部281至288的下結(jié)構(gòu)體280的示 例性變型，并且在這種使用包括分支部的結(jié)構(gòu)體的示例性變型中，除了上述正常的力檢測(cè) 功能以外，可提供附加功能。附加功能是電檢測(cè)分支部的導(dǎo)致分支部與輔助基板380接觸 的大位移的功能。例如，將考慮代替圖42所示的輔助基板380而使用圖45所示的輔助基板380A的 情況。作為這二者之間的差異，后一種情況下的固定電極Exl至Ex4和Eyl至Ey4的長度 稍短，并且在此空間中，提供接觸判定電極exl至ex4和eyl至ey4。在圖45中，固定電極 Exl至Ex4和Eyl至Ey4是斜線陰影部分，并且接觸判定電極exl至ex4和eyl至ey4是灰 色陰影部分(這些陰影部分并非示出橫截面，而是示出了電極形狀)。這里，接觸判定電極 exl至ex4和eyl至ey4設(shè)置在當(dāng)分支部281至288向下翹曲時(shí)它們的末端部所接觸的位 置處。也就是說，在輔助基板380A的上表面上的與分支部281至288的末端部相對(duì)的位 置處，提供與固定電極Exl至Ex4和Ey 1至Ey4電絕緣的接觸判定電極exl至ex4和eyl 至ey4。通過采用此構(gòu)造，基于分支部的末端部與接觸判定電極之間的電連續(xù)狀態(tài)，可以判 定它們之間是否彼此物理接觸。
在此裝置中，為了用檢測(cè)電路500分別測(cè)量八個(gè)電容元件的靜態(tài)電容值，必須在 固定電極Exl至Ex4和Eyl至Ey4與檢測(cè)電路500之間提供接線，并且也必須在用作公共位 移電極的下結(jié)構(gòu)體280與檢測(cè)電路500之間提供接線，另外，還在接觸判定電極exl至ex4 和eyl至ey4與檢測(cè)電路500之間提供接線。因此，通過檢查下結(jié)構(gòu)體280與接觸判定電 極exl至ex4和eyl至ey4之間的電連續(xù)狀態(tài)，檢測(cè)電路500可判定分支部281至288的 末端部與接觸判定電極exl至ex4和eyl至ey4是否彼此物理接觸。例如，當(dāng)可檢測(cè)接觸判定電極exl與下結(jié)構(gòu)體280之間的電連續(xù)狀態(tài)時(shí)，可識(shí)別分 支部281的末端部與接觸判定電極exl的物理接觸。這表示，第一 X軸柱狀件Pxl的下端 已經(jīng)向下大幅位移，并且已經(jīng)施加了導(dǎo)致此位移的很大的外力。當(dāng)施加這種很大的外力時(shí)， 不會(huì)輸出正確的檢測(cè)值，從而，例如，輸出錯(cuò)誤信號(hào)，或者如果必須的話，采取這樣的措施: 發(fā)出表示由于過度的外力而具有損壞風(fēng)險(xiǎn)的警告。圖46所示的輔助基板380B是圖45所示輔助基板380A的示例性變型。在此示例 性變型中，用單個(gè)接觸判定環(huán)形電極e (灰色陰影部分表示此接觸判定環(huán)形電極e的形狀) 代替八個(gè)接觸判定電極exl至ex4和eyl至ey4。具體地，在輔助基板380B的上表面上連 結(jié)與分支部281至288末端部相對(duì)的一些位置的環(huán)形區(qū)域中，提供與固定電極Exl至Ex4 和Eyl至Ey4電絕緣的接觸判定環(huán)形電極e。在此情況下，可檢測(cè)到八個(gè)分支部281至288 中的任一個(gè)的末端部與接觸判定環(huán)形電極e物理接觸。無法獲得用于確定八個(gè)分支部281 至288中的哪一個(gè)接觸的信息，從而無法識(shí)別哪一個(gè)分支部大幅位移，然而，只要采取輸出 錯(cuò)誤信號(hào)或發(fā)出警告的措施，圖46的此構(gòu)造就是足夠的。圖47所示的輔助基板380C是圖45所示輔助基板380A的另一示例性變型。在此 示例性變型中，代替八個(gè)接觸判定電極exl至ex4和eyl至ey4，提供十六個(gè)接觸判定電極 exla至ex4b和eyla至ey4b。也就是說，將輔助基板380A上的每個(gè)接觸判定電極分成兩 個(gè)。此示例性變型的優(yōu)點(diǎn)是不使用連接至下結(jié)構(gòu)體280的接線便可電檢測(cè)很大外力 的施加。例如，假設(shè)第一 X軸柱狀件Pxl的下端向下大幅位移，并且分支部281的末端部與 接觸判定電極exla和exlb接觸，那么，這對(duì)接觸判定電極exla和exlb通過分支部281的 末端部彼此電連續(xù)。因此，僅通過檢查這對(duì)接觸判定電極exla和exlb之間的電連續(xù)狀態(tài)， 便可檢測(cè)分支部281的物理接觸。這同樣適用于其他對(duì)接觸判定電極。也就是說，通過在與一個(gè)分支部的末端部相對(duì)的位置處提供一對(duì)彼此絕緣的接觸 判定電極，可以基于這對(duì)接觸判定電極之間的電連續(xù)狀態(tài)而確定分支部的末端部與這對(duì)接 觸判定電極是否彼此物理接觸。圖48所示的輔助基板380D是圖46所示輔助基板380B的示例性變型。在此示例 性變型中，提供一對(duì)接觸判定環(huán)形電極ea和eb來代替單個(gè)接觸判定環(huán)形電極e。也就是 說，彼此絕緣且彼此同心的這對(duì)接觸判定電極ea和eb設(shè)置在輔助基板380B上的接觸判定 環(huán)形電極e的環(huán)形區(qū)域中。在此情況下，也可基于這對(duì)接觸判定環(huán)形電極ea和eb之間的 電連續(xù)狀態(tài)而確定分支部的末端部與這對(duì)接觸判定環(huán)形電極ea和eb是否彼此物理接觸， 從而即使不使用連接至下結(jié)構(gòu)體280的接線，也可電檢測(cè)很大外力的施加。上面描述了這樣的實(shí)例，其中提供接觸判定電極以便能夠電檢測(cè)很大外力的施 加，并且在此情況下采取通過輸出錯(cuò)誤信號(hào)或發(fā)出警告的措施，相反，僅在施加這種很大外
59力的情況下才輸出檢測(cè)值也是可能的。例如，考慮這樣一種情況用圖43所示的力檢測(cè)裝置作為數(shù)字設(shè)備的輸入裝置。 具體地，當(dāng)某人將此裝置放在他/她的手掌中時(shí)，將他/她的拇指放在力接收器125的上表 面上，并執(zhí)行一些輸入操作，從拇指連續(xù)地施加非常小的力，從而，即使此人并非有意執(zhí)行 一些輸入操作，此裝置也會(huì)檢測(cè)從拇指施加的力。然而，輸出這種非常小的力作為表示由人 執(zhí)行的輸入操作的信號(hào)不是優(yōu)選的。換句話說，當(dāng)用力檢測(cè)裝置作為數(shù)字設(shè)備的輸入裝置 時(shí)，僅當(dāng)施加大到允許確定有人有意執(zhí)行一些輸入操作(具體來說，例如，使力接收器125 在X軸正方向或負(fù)方向上傾斜的操作，或使力接收器125在Y軸正方向或負(fù)方向上傾斜的 操作)的外力時(shí)，應(yīng)輸出對(duì)應(yīng)于輸入操作的檢測(cè)值。在這種類型的應(yīng)用的情況下，僅當(dāng)可電檢測(cè)到分支部的末端與接觸判定電極的接 觸時(shí)，才輸出檢測(cè)值。當(dāng)假設(shè)此應(yīng)用形式時(shí)，與下結(jié)構(gòu)體280的接線根本不是必需的。這是 因?yàn)榭梢岳媒佑|判定電極(接觸判定環(huán)形電極)與分支部之間的物理接觸形成的導(dǎo)電路 徑作為電連接每個(gè)位移電極和檢測(cè)器的接線路徑。例如，在使用圖47所示輔助基板380C的示例性變型的情況下，當(dāng)?shù)谝?X軸柱狀件 Pxl的下端向下大幅位移且分支部281的末端部與接觸判定電極exla和exlb接觸時(shí)，如上 所述，這對(duì)接觸判定電極exla和exlb通過分支部281的末端部而電連續(xù)。因此，僅通過檢 查這對(duì)接觸判定電極exla和exlb之間的電連續(xù)狀態(tài)，可檢測(cè)分支部281的物理接觸。另 外，在分支部281的末端部與接觸判定電極exla和exlb接觸的狀態(tài)下，整個(gè)下結(jié)構(gòu)體280 與接觸判定電極exla和exlb電連續(xù)，從而設(shè)置在接觸判定電極exla和exlb與檢測(cè)電路 500之間的接線可直接用作與下結(jié)構(gòu)體280的接線。因此，不直接提供與下結(jié)構(gòu)體280的接 線，也可檢測(cè)電容元件的靜態(tài)電容值。當(dāng)然，當(dāng)八個(gè)分支部281至288中的任一個(gè)與接觸判定電極均不接觸時(shí)，沒有直接 連線的下結(jié)構(gòu)體280處于電浮動(dòng)狀態(tài)下，并且檢測(cè)電路500無法檢測(cè)電容元件的靜態(tài)電容 值。然而，基于如上所述的將力檢測(cè)裝置用作數(shù)字設(shè)備的輸入裝置的假設(shè)，在此狀態(tài)下，檢 測(cè)值輸出不是必需的，并且不會(huì)出現(xiàn)阻礙。<5-6 包括分支部的下結(jié)構(gòu)體的示例性變型>這里，示出了圖41所示的包括分支部的下結(jié)構(gòu)體280的示例性變型。圖49是此 示例性變型的下結(jié)構(gòu)體290的俯視圖。在圖中，虛直線表示此結(jié)構(gòu)體各部分的邊界，并且虛 線圓表示與柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4的下端連接的部分。如所示出的，此下結(jié)構(gòu)體290包括中心位置與Z軸交叉的十字形中心部299 ；和 具有撓性的八個(gè)分支部291至298，它們從中心部299延伸至與第一至第四X軸柱狀件的 下端連接的連接位置和與第一至第四Y軸柱狀件的下端連接的連接位置。在此示例性變型 中，分支部291至298用作在平行于X軸或Y軸的方向上延伸的懸臂梁。例如，也可通過切割鋁板或不銹鋼板來獲得此下結(jié)構(gòu)體290。八個(gè)分支部291至 298具有撓性，從而在中心部299固定的狀態(tài)下，當(dāng)柱狀件Pxl至Px4和Pyl至Py4分別沿 Z軸方向位移時(shí)，分支部291至298根據(jù)各個(gè)相應(yīng)柱狀件的位移而獨(dú)立地翹曲。與圖41所 示的下結(jié)構(gòu)體280相比，圖49所示的下結(jié)構(gòu)體290具有更容易制造的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)用圖49所示的下結(jié)構(gòu)體290代替圖41所示的下結(jié)構(gòu)體280時(shí)，則用圖50所示 的輔助基板390代替圖42所示的輔助基板380。在此輔助基板390的上表面上，形成有八
60個(gè)固定電極Exl至Ex4和Eyl至Ey4 (陰影部分示出了電極形狀)。輔助基板390上的這 八個(gè)固定電極具有與圖49所示的八個(gè)分支部291至298相對(duì)的形狀，并且設(shè)置在與分支部 291至298相對(duì)的位置處，從而雖然形狀和布置不同，但是這些固定電極執(zhí)行與圖42所示 的八個(gè)固定電極的功能相同的功能，從而為了方便，用相同的參考標(biāo)號(hào)Exl至Ex4和Eyl至 Ey4表示固定電極。<5-7 使用除了電容元件以外的傳感器的示例性變型>上面描述了一種詳細(xì)的算術(shù)運(yùn)算方法，該方法在實(shí)施方式中利用電容元件作為 “檢測(cè)柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的傳感器”獲得六個(gè)力Fx、Fy、Fz, Mx, My和Mz的 檢測(cè)值。然而，當(dāng)執(zhí)行本發(fā)明時(shí)，“檢測(cè)柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的傳感器”并非必 須是使用電容元件的傳感器，而是可以是任何傳感器，只要該傳感器能夠通過某種方法電 檢測(cè)特定部分的位移。例如，當(dāng)利用通過使用超聲波測(cè)量距離的傳感器或利用通過使用光 測(cè)量距離的傳感器來測(cè)量到特定部分的距離變化時(shí)，可檢測(cè)特定部分的位移。因此，即使用“檢測(cè)柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的傳感器”代替電容傳感器 時(shí)，也可通過第四部分中描述的檢測(cè)操作來檢測(cè)六個(gè)力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz。具體地，檢測(cè)器可輸出與“第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值與第二 Y軸傳感器的檢測(cè)值之 間的差”和“第三Y軸傳感器的檢測(cè)值與第四Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相對(duì)應(yīng)的 信號(hào)值V(Fx)M乍為在χ軸方向上施加的力Fx的檢測(cè)值(近似值)，并且可輸出與“第一 X 軸傳感器的檢測(cè)值與第二 X軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”和“第三X軸傳感器的檢測(cè)值與 第四X軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相對(duì)應(yīng)的信號(hào)值V(Fy)*作為在Y軸方向上施加的 力Fy的檢測(cè)值(近似值)。檢測(cè)器可輸出與“第一至第四X軸傳感器的檢測(cè)值之和”或“第一至第四Y軸傳感 器的檢測(cè)值之和”，或“第一至第四X軸傳感器的檢測(cè)值之和與第一至第四Y軸傳感器的檢 測(cè)值之和的總和”相對(duì)應(yīng)的信號(hào)值V(Fz)作為在Z軸方向上施加的力Fz的檢測(cè)值。另一方面，關(guān)于力矩，檢測(cè)器可輸出與“第三Y軸傳感器的檢測(cè)值和第四Y軸傳感 器的檢測(cè)值之和”與“第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值和第二 Y軸傳感器的檢測(cè)值之和”之間的差 相對(duì)應(yīng)的信號(hào)值V(Mx)作為圍繞X軸施加的力矩Mx的檢測(cè)值，并且可輸出與“第一 X軸傳 感器的檢測(cè)值和第二 X軸傳感器的檢測(cè)值之和”與“第三X軸傳感器的檢測(cè)值和第四X軸 傳感器的檢測(cè)值之和”之間的差相對(duì)應(yīng)的信號(hào)值V(My)作為圍繞Y軸施加的力矩My的檢測(cè) 值。檢測(cè)器可輸出與“第一 X軸傳感器的檢測(cè)值與第二 X軸傳感器的檢測(cè)值之間的 差”，“第四X軸傳感器的檢測(cè)值與第三X軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”，“第二 Y軸傳感器的 檢測(cè)值與第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”，以及“第三Y軸傳感器的檢測(cè)值與第四Y軸 傳感器的檢測(cè)值之間的差”的和相對(duì)應(yīng)的信號(hào)值V(Mz)作為圍繞Z軸施加的力矩Mz的檢測(cè)值。此外，當(dāng)必須獲得更精確的檢測(cè)值時(shí)，檢測(cè)器獲得與“第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值與 第二 Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”和“第三Y軸傳感器的檢測(cè)值與第四Y軸傳感器的檢 測(cè)值之間的差”之和相對(duì)應(yīng)的信號(hào)值V(Fx)*,以及與“第一 X軸傳感器的檢測(cè)值與第二 X軸 傳感器的檢測(cè)值之間的差”和“第三X軸傳感器的檢測(cè)值與第四X軸傳感器的檢測(cè)值之間 的差”之和相對(duì)應(yīng)的信號(hào)值V(Fy)*,并且，可通過使用預(yù)定系數(shù)kl至k4，輸出與根據(jù)表達(dá)式"V(Fx)*-k2/kl -V(My) ”獲得的值相對(duì)應(yīng)的信號(hào)值V(Fx)作為在X軸方向上施加的力Fx的 檢測(cè)值，并輸出與根據(jù)表達(dá)式“V(Fyr-k4/k3 · V(Mx) ”獲得的值相對(duì)應(yīng)的信號(hào)值V(Fy)作 為在Y軸方向上施加的力Fy的檢測(cè)值。
權(quán)利要求
一種檢測(cè)在XYZ三維坐標(biāo)系中的預(yù)定方向上施加的力的力檢測(cè)裝置，包括上基板，具有平行于XY平面的基板表面；下基板，具有平行于XY平面的基板表面并且設(shè)置在所述上基板的下方；第一柱狀件，具有直接或間接接合至所述上基板的下表面的上端，和直接或間接接合至所述下基板的上表面的下端；第二柱狀件，具有直接或間接接合至所述上基板的下表面的上端，和直接或間接接合至所述下基板的上表面的下端；以及檢測(cè)器，基于所述第一柱狀件和所述第二柱狀件的位移而輸出表示所施加力的電信號(hào)，其中所述第一柱狀件的下端與所述下基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓性的第一下膜部；所述第二柱狀件的下端與所述下基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓性的第二下膜部；通過向XZ平面上正交投影所述第一柱狀件的中心軸線而獲得的投影圖像相對(duì)于Z軸在第一方向上傾斜，并且通過向XZ平面上正交投影所述第二柱狀件的中心軸線而獲得的投影圖像相對(duì)于Z軸在與所述第一方向相對(duì)的第二方向上傾斜；并且所述檢測(cè)器包括檢測(cè)所述第一下膜部在Z軸方向上的位移的第一傳感器和檢測(cè)所述第二下膜部在Z軸方向上的位移的第二傳感器，并且所述檢測(cè)器輸出表示所述第一傳感器的檢測(cè)值與所述第二傳感器的檢測(cè)值之間的差的電信號(hào)作為在所述下基板固定的狀態(tài)下在X軸方向上施加至所述上基板的力Fx的檢測(cè)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述檢測(cè)器進(jìn)一步輸出表示所述第一傳感器的檢測(cè)值和所述第二傳感器的檢測(cè)值之 和的電信號(hào)作為在所述下基板固定的狀態(tài)下在Z軸方向上施加至上基板的力Fz的檢測(cè)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的力檢測(cè)裝置，其中，在所述下基板的上表面或下表面上形成有第一下凹槽和第二下凹槽，由所述第一下凹 槽的底部形成第一下膜部，并且由所述第二下凹槽的底部形成第二下膜部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的力檢測(cè)裝置，其中，每個(gè)下凹槽形成在所述下基板的上表面上，在所述下凹槽內(nèi)部設(shè)置有凸起，所述凸起 從每個(gè)下凹槽的底面向上延伸至基板表面位置，并且每個(gè)柱狀件的下端經(jīng)由所述凸起接合 至所述下膜部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述下基板由撓性基板形成，所述第一下膜部由所述撓性基板的一部分形成，并且所 述第二下膜部由所述撓性基板的另一部分形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述第一柱狀件的上端與所述上基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓性的第 一上膜部，并且所述第二柱狀件的上端與所述上基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓性的第二上膜部。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的力檢測(cè)裝置，其中，在所述上基板的上表面或下表面上形成有第一上凹槽和第二上凹槽，并且由所述第一 上凹槽的底部形成第一上膜部，且由所述第二上凹槽的底部形成第二上膜部。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的力檢測(cè)裝置，其中，每個(gè)上凹槽形成在所述上基板的下表面上，在所述上凹槽內(nèi)部設(shè)置有凸起，所述凸起 從每個(gè)所述上凹槽的底面向下延伸至基板表面位置，并且每個(gè)柱狀件的上端經(jīng)由所述凸起 接合至所述上膜部。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述上基板由撓性基板形成，第一上膜部由所述撓性基板的一部分形成，并且第二上 膜部由所述撓性基板的另一部分形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述第一柱狀件的中心軸線和所述第二柱狀件的中心軸線設(shè)置在XZ平面上或平行于 XZ平面的平面上，并且所述第一柱狀件和所述第二柱狀件關(guān)于YZ平面對(duì)稱。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，第一傳感器由第一電容元件構(gòu)成，所述第一電容元件包括形成于所述第一下膜部上 的第一位移電極；以及固定至與所述第一位移電極相對(duì)的位置處的第一固定電極，并且第二傳感器由第二電容元件構(gòu)成，所述第二電容元件包括形成于所述第二下膜部上 的第二位移電極；以及固定至與所述第二位移電極相對(duì)的位置處的第二固定電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述下基板由導(dǎo)電材料制成，所述第一下膜部本身用作第一位移電極，并且所述第二 下膜部本身用作第二位移電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的力檢測(cè)裝置，進(jìn)一步包括 固定至所述下基板的下表面的輔助基板，其中，在所述輔助基板的上表面上位于所述第一下膜部下方的位置處形成有第一輔助凹槽， 在所述輔助基板的上表面上位于所述第二下膜部下方的位置處形成有第二輔助凹槽，并且在所述第一輔助凹槽的底面上形成有第一固定電極，且在所述第二輔助凹槽的底面上 形成有第二固定電極。
14.一種檢測(cè)在XYZ三維坐標(biāo)系中的預(yù)定方向上施加的力的力檢測(cè)裝置，包括 第一柱狀件和第二柱狀件，設(shè)置為相對(duì)于在上下方向上限定的Z軸在預(yù)定方向上傾斜；上結(jié)構(gòu)體，設(shè)置在所述第一柱狀件和所述第二柱狀件的上方； 下結(jié)構(gòu)體，設(shè)置在所述第一柱狀件和所述第二柱狀件的下方；以及 檢測(cè)器，基于所述第一柱狀件和所述第二柱狀件的位移而輸出表示所施加力的電信 號(hào)，其中，所述第一柱狀件的上端直接或間接接合至所述上結(jié)構(gòu)體的下表面，并且所述第一柱狀 件的下端直接或間接接合至所述下結(jié)構(gòu)體的上表面；所述第二柱狀件的上端直接或間接接合至所述上結(jié)構(gòu)體的下表面，并且所述第二柱狀 件的下端直接或間接接合至所述下結(jié)構(gòu)體的上表面；通過向XZ平面上正交投影所述第一柱狀件的中心軸線而獲得的投影圖像相對(duì)于Z軸在第一方向上傾斜，并且通過向XZ平面上正交投影所述第二柱狀件的中心軸線而獲得的 投影圖像相對(duì)于Z軸在與所述第一方向相對(duì)的第二方向上傾斜；“所述下結(jié)構(gòu)體”的至少一部分和“所述上結(jié)構(gòu)體、所述第一柱狀件、所述第二柱狀件、 以及它們的相互連接部分”的至少一部分具有撓性，以改變所述第一柱狀件和所述第二柱 狀件的傾斜狀態(tài)，并且在所述下結(jié)構(gòu)體固定至預(yù)定位置的狀態(tài)下，當(dāng)對(duì)所述上結(jié)構(gòu)體施加 外力時(shí)，允許所述上結(jié)構(gòu)體位移；并且所述檢測(cè)器包括檢測(cè)所述第一柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第一傳感器和檢 測(cè)所述第二柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第二傳感器，并且所述檢測(cè)器輸出表示所 述第一傳感器的檢測(cè)值與所述第二傳感器的檢測(cè)值之間的差的電信號(hào)作為在所述下結(jié)構(gòu) 體固定至預(yù)定位置的狀態(tài)下在X軸方向上施加至所述上結(jié)構(gòu)體的力Fx的檢測(cè)值。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述檢測(cè)器進(jìn)一步輸出表示所述第一傳感器的檢測(cè)值和所述第二傳感器的檢測(cè)值之 和的電信號(hào)作為在所述下結(jié)構(gòu)體固定至預(yù)定位置的狀態(tài)下在Z軸方向上施加至所述上結(jié) 構(gòu)體的力Fz的檢測(cè)值。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述第一柱狀件的中心軸線和所述第二柱狀件的中心軸線設(shè)置在XZ平面上或平行于 XZ平面的平面上，并且所述第一柱狀件和所述第二柱狀件關(guān)于YZ平面對(duì)稱。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，進(jìn)一步包括 固定在所述下結(jié)構(gòu)體下方預(yù)定距離的輔助基板，其中，所述第一傳感器由第一電容元件構(gòu)成，所述第一電容元件包括形成于所述第一柱狀 件的下端與所述下結(jié)構(gòu)體接合的位置處的第一位移電極；以及在所述輔助基板的上表面上 固定至與所述第一位移電極相對(duì)的位置處的第一固定電極，并且所述第二傳感器由第二電容元件構(gòu)成，所述第二電容元件包括形成于所述第二柱狀 件的下端與所述下結(jié)構(gòu)體接合的位置處的第二位移電極；以及在所述輔助基板的上表面上 固定至與所述第二位移電極相對(duì)的位置處的第二固定電極。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述下結(jié)構(gòu)體由導(dǎo)電材料制成，所述第一柱狀件的下端與所述下結(jié)構(gòu)體接合所在的部 分用作第一位移電極，并且所述第二柱狀件的下端與所述下結(jié)構(gòu)體接合所在的部分用作第 二位移電極。
19.一種檢測(cè)在XYZ三維坐標(biāo)系中的預(yù)定方向上施加的力的力檢測(cè)裝置，包括 上基板，具有平行于XY平面的基板表面；下基板，具有平行于XY平面的基板表面并且設(shè)置在所述上基板的下方； 第一至第四X軸柱狀件，具有直接或間接接合至所述上基板的下表面的上端，和直接 或間接接合至所述下基板的上表面的下端；第一至第四Y軸柱狀件，具有直接或間接接合至所述上基板的下表面的上端，和直接 或間接接合至所述下基板的上表面的下端；以及檢測(cè)器，基于所述第一至第四X軸柱狀件和所述第一至第四Y軸柱狀件的位移而輸出 表示所施加力的電信號(hào)，其中，所述第一至第四X軸柱狀件的下端與所述下基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具有撓性的第一至第四X軸下膜部；所述第一至第四Y軸柱狀件的下端與所述下基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具 有撓性的第一至第四Y軸下膜部；第一 χ軸柱狀件的中心軸線和第二 χ軸柱狀件的中心軸線包含于在χ軸正區(qū)域中正交 于χ軸的χ軸正側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于XZ平面互相相對(duì)地傾斜；第三X軸柱狀件的中心軸線和第四X軸柱狀件的中心軸線包含于在X軸負(fù)區(qū)域中正交 于χ軸的χ軸負(fù)側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于XZ平面互相相對(duì)地傾斜；第一 Y軸柱狀件的中心軸線和第二 Y軸柱狀件的中心軸線包含于在Y軸正區(qū)域中正交 于Y軸的Y軸正側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于YZ平面互相相對(duì)地傾斜；第三Y軸柱狀件的中心軸線和第四Y軸柱狀件的中心軸線包含于在Y軸負(fù)區(qū)域中正交 于Y軸的Y軸負(fù)側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于YZ平面互相相對(duì)地傾斜；并且所述檢測(cè)器包括檢測(cè)第一 X軸下膜部在Z軸方向上的位移的第一 X軸傳感器；檢測(cè) 第二 X軸下膜部在Z軸方向上的位移的第二 X軸傳感器；檢測(cè)第三X軸下膜部在Z軸方向 上的位移的第三X軸傳感器；檢測(cè)第四X軸下膜部在Z軸方向上的位移的第四X軸傳感器； 檢測(cè)第一 Y軸下膜部在Z軸方向上的位移的第一 Y軸傳感器；檢測(cè)第二 Y軸下膜部在Z軸 方向上的位移的第二 Y軸傳感器；檢測(cè)第三Y軸下膜部在Z軸方向上的位移的第三Y軸傳 感器；以及檢測(cè)第四Y軸下膜部在Z軸方向上的位移的第四Y軸傳感器，并且所述檢測(cè)器輸 出基于傳感器的檢測(cè)值而獲得的電信號(hào)作為在所述下基板固定的狀態(tài)下施加至所述上基 板的力的檢測(cè)值。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的力檢測(cè)裝置，其中，在所述下基板的上表面或下表面上形成有第一至第四X軸下凹槽和第一至第四Y軸下 凹槽，所述第一至第四X軸下凹槽的底部形成第一至第四X軸下膜部，并且所述第一至第四 Y軸下凹槽的底部形成第一至第四Y軸下膜部。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的力檢測(cè)裝置，其中，在所述下基板的上表面或下表面上形成有下環(huán)形凹槽，并且所述下環(huán)形凹槽的底部的 各部分形成第一至第四X軸下膜部和第一至第四Y軸下膜部。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的力檢測(cè)裝置，其中，每個(gè)下凹槽或所述下環(huán)形凹槽形成在所述下基板的上表面上，在每個(gè)下凹槽或所述下 環(huán)形凹槽內(nèi)部設(shè)置有凸起，所述凸起從每個(gè)下凹槽或所述下環(huán)形凹槽的底面向上延伸至基 板表面位置，并且每個(gè)柱狀件的下端經(jīng)由所述凸起接合至所述下膜部。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述下基板由撓性基板形成，并且所述撓性基板的各部分形成第一至第四X軸下膜部 和第一至第四Y軸下膜部。
24.根據(jù)權(quán)利要求19至23中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述第一至第四X軸柱狀件的上端與所述上基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具 有撓性的第一至第四X軸上膜部，并且所述第一至第四Y軸柱狀件的上端與所述上基板接合所在的接合部分的附近構(gòu)成具 有撓性的第一至第四Y軸上膜部。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的力檢測(cè)裝置，其中，5在所述上基板的上表面或下表面上形成有第一至第四X軸上凹槽和第一至第四Y軸上 凹槽，所述第一至第四X軸上凹槽的底部形成第一至第四X軸上膜部，并且所述第一至第四 Y軸上凹槽的底部形成第一至第四Y軸上膜部。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的力檢測(cè)裝置，其中，在所述上基板的上表面或下表面上形成有上環(huán)形凹槽，并且所述上環(huán)形凹槽的底部的 各部分形成第一至第四X軸上膜部和第一至第四Y軸上膜部。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或26所述的力檢測(cè)裝置，其中，每個(gè)上凹槽或所述上環(huán)形凹槽形成在所述上基板的下表面上，在每個(gè)上凹槽或所述上 環(huán)形凹槽內(nèi)部設(shè)置有凸起，所述凸起從每個(gè)上凹槽或所述上環(huán)形凹槽的底面向下延伸至基 板表面位置，并且每個(gè)柱狀件的上端經(jīng)由所述凸起接合至所述上膜部。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述上基板由撓性基板形成，并且所述撓性基板的各部分形成第一至第四X軸上膜部 和第一至第四Y軸上膜部。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的力檢測(cè)裝置，其中，一連結(jié)件牢固地固定于所述上基板的 上表面上的除了所述第一至第四X軸上膜部和所述第一至第四Y軸上膜部以外的預(yù)定位 置，并且在所述連結(jié)件上方接合有用于接收作為檢測(cè)目標(biāo)的力的力接收器。
30.根據(jù)權(quán)利要求23、28或29所述的力檢測(cè)裝置，其中，當(dāng)在所述撓性基板上限定以下四個(gè)區(qū)域時(shí)包括第一 X軸上/下膜部和第二 X軸上/ 下膜部的區(qū)域、包括第三X軸上/下膜部和第四X軸上/下膜部的區(qū)域、包括第一 Y軸上/ 下膜部和第二 Y軸上/下膜部的區(qū)域、以及包括第三Y軸上/下膜部和第四Y軸上/下膜 部的區(qū)域，沿著這四個(gè)區(qū)域的邊界，從所述撓性基板的外圍朝著中心部分形成有狹縫。
31.一種檢測(cè)在XYZ三維坐標(biāo)系中的預(yù)定方向上施加的力的力檢測(cè)裝置，包括 上結(jié)構(gòu)體，在平行于XY平面的平面上擴(kuò)展；下結(jié)構(gòu)體，在平行于XY平面的平面上擴(kuò)展并且設(shè)置在所述上結(jié)構(gòu)體的下方； 第一至第四X軸柱狀件，具有直接或間接接合至所述上結(jié)構(gòu)體的下表面的上端，和直 接或間接接合至所述下結(jié)構(gòu)體的上表面的下端；第一至第四Y軸柱狀件，具有直接或間接接合至所述上結(jié)構(gòu)體的下表面的上端，和直 接或間接接合至所述下結(jié)構(gòu)體的上表面的下端；以及檢測(cè)器，基于所述第一至第四X軸柱狀件和所述第一至第四Y軸柱狀件的位移而輸出 表示所施加力的電信號(hào)，其中，第一 χ軸柱狀件的中心軸線和第二 χ軸柱狀件的中心軸線包含于在χ軸正區(qū)域中正交 于χ軸的χ軸正側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于XZ平面互相相對(duì)地傾斜；第三X軸柱狀件的中心軸線和第四X軸柱狀件的中心軸線包含于在X軸負(fù)區(qū)域中正交 于χ軸的χ軸負(fù)側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于XZ平面互相相對(duì)地傾斜；第一 Y軸柱狀件的中心軸線和第二 Y軸柱狀件的中心軸線包含于在Y軸正區(qū)域中正交 于Y軸的Y軸正側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于YZ平面互相相對(duì)地傾斜；第三Y軸柱狀件的中心軸線和第四Y軸柱狀件的中心軸線包含于在Y軸負(fù)區(qū)域中正交 于Y軸的Y軸負(fù)側(cè)正交平面中，并且相對(duì)于YZ平面互相相對(duì)地傾斜；并且所述檢測(cè)器包括檢測(cè)所述第一 X軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第一 X軸傳感器；檢測(cè)所述第二 X軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第二 X軸傳感器；檢測(cè)所述第 三X軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第三X軸傳感器；檢測(cè)所述第四X軸柱狀件的 下端在Z軸方向上的位移的第四X軸傳感器；檢測(cè)所述第一 Y軸柱狀件的下端在Z軸方向 上的位移的第一 Y軸傳感器；檢測(cè)所述第二 Y軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第二 Y軸傳感器；檢測(cè)所述第三Y軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第三Y軸傳感器；以及 檢測(cè)所述第四Y軸柱狀件的下端在Z軸方向上的位移的第四Y軸傳感器，并且所述檢測(cè)器 輸出基于傳感器的檢測(cè)值而獲得的電信號(hào)作為在所述下結(jié)構(gòu)體固定至預(yù)定位置的狀態(tài)下 施加至所述上結(jié)構(gòu)體的力的檢測(cè)值。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述下結(jié)構(gòu)體包括位于Z軸上的中心部、以及具有撓性的八個(gè)分支部，這些分支部分 別從中心部延伸至與所述第一至第四X軸柱狀件的下端連接的連接位置和與所述第一至 第四Y軸柱狀件的下端連接的連接位置。
33.根據(jù)權(quán)利要求19至32中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，第一 X軸柱狀件向XY平面上的正交投影圖像和第一 Y軸柱狀件向XY平面上的正交投 影圖像均位于XY坐標(biāo)系的第一象限中，第三X軸柱狀件向XY平面上的正交投影圖像和第二 Y軸柱狀件向XY平面上的正交投 影圖像均位于XY坐標(biāo)系的第二象限中，第四X軸柱狀件向XY平面上的正交投影圖像和第四Y軸柱狀件向XY平面上的正交投 影圖像均位于XY坐標(biāo)系的第三象限中，并且第二 X軸柱狀件向XY平面上的正交投影圖像和第三Y軸柱狀件向XY平面上的正交投 影圖像均位于XY坐標(biāo)系的第四象限中。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的力檢測(cè)裝置，其中，由“第一至第四X軸柱狀件”、“第一至第四Y軸柱狀件”、“上基板或上結(jié)構(gòu)體”、以及“下 基板或下結(jié)構(gòu)體”構(gòu)成的主結(jié)構(gòu)體關(guān)于XZ平面對(duì)稱，并且關(guān)于YZ平面也對(duì)稱。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的力檢測(cè)裝置，其中， 所述檢測(cè)器輸出信號(hào)值V (Fx) 與“所述第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值與所述第二 Y軸傳感器的檢測(cè)值之間 的差”和“所述第三Y軸傳感器的檢測(cè)值與所述第四Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相 對(duì)應(yīng)，作為在X軸方向上施加的力Fx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V (Fy) 與“所述第一 X軸傳感器的檢測(cè)值與所述第二 X軸傳感器的檢測(cè)值之間 的差”和“所述第三X軸傳感器的檢測(cè)值與所述第四X軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相 對(duì)應(yīng)，作為在Y軸方向上施加的力Fy的檢測(cè)值。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的力檢測(cè)裝置，其中， 所述檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V(Mx),與“所述第三Y軸傳感器的檢測(cè)值和所述第四Y軸傳感器的檢測(cè)值之和” 和“所述第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值和所述第二 Y軸傳感器的檢測(cè)值之和”之間的差相對(duì)應(yīng)， 作為圍繞X軸施加的力矩Mx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V(My)，與“所述第一X軸傳感器的檢測(cè)值和所述第二X軸傳感器的檢測(cè)值之和” 和“所述第三X軸傳感器的檢測(cè)值和所述第四X軸傳感器的檢測(cè)值之和”之間的差相對(duì)應(yīng)，作為圍繞Y軸施加的力矩My的檢測(cè)值。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述檢測(cè)器輸出信號(hào)值V(Mx),與“所述第三Y軸傳感器的檢測(cè)值和所述第四Y軸傳感器的檢測(cè)值之和” 和“所述第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值和所述第二 Y軸傳感器的檢測(cè)值之和”之間的差相對(duì)應(yīng)， 作為圍繞X軸施加的力矩Mx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V(My)，與“所述第一X軸傳感器的檢測(cè)值和所述第二X軸傳感器的檢測(cè)值之和” 與“所述第三X軸傳感器的檢測(cè)值和所述第四X軸傳感器的檢測(cè)值之和”之間的差相對(duì)應(yīng)， 作為圍繞Y軸施加的力矩My的檢測(cè)值。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述檢測(cè)器進(jìn)一步計(jì)算信號(hào)值V (Fx) 與“所述第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值與所述第二 Y軸傳感器的檢測(cè)值之間 的差”和“所述第三Y軸傳感器的檢測(cè)值與所述第四Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相 對(duì)應(yīng)；以及信號(hào)值V (Fy) 與“所述第一 X軸傳感器的檢測(cè)值與所述第二 X軸傳感器的檢測(cè)值之間 的差”和“所述第三X軸傳感器的檢測(cè)值與所述第四X軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相 對(duì)應(yīng)，并且通過使用預(yù)定系數(shù)kl至k4，輸出信號(hào)值V(Fx)，與根據(jù)表達(dá)式“V(FX)*-k2/kl · V(My)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為在X軸方 向上施加的力Fx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V(Fy)，與根據(jù)表達(dá)式“V(Fyr-k4/k3 · V(Mx)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為在Y軸方 向上施加的力Fy的檢測(cè)值。
39.根據(jù)權(quán)利要求35至38中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V (Fz)，與“第一至第四X軸傳感器的檢測(cè)值之和”、“第一至第四Y軸傳感器的 檢測(cè)值之和”、或“第一至第四X軸傳感器的檢測(cè)值之和與第一至第四Y軸傳感器的檢測(cè)值 之和的總和”相對(duì)應(yīng)，作為在Z軸方向上施加的力Fz的檢測(cè)值。
40.根據(jù)權(quán)利要求35至39中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V(Mz)，與“所述第一 X軸傳感器的檢測(cè)值與所述第二 X軸傳感器的檢測(cè)值之間 的差”、“所述第四X軸傳感器的檢測(cè)值與所述第三X軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”、“所述第 二 Y軸傳感器的檢測(cè)值與所述第一 Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”、和“所述第三Y軸傳感 器的檢測(cè)值與所述第四Y軸傳感器的檢測(cè)值之間的差”之和相對(duì)應(yīng)，作為圍繞Z軸施加的力 矩Mz的檢測(cè)值。
41.根據(jù)權(quán)利要求19至40中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，每個(gè)傳感器由電容元件構(gòu)成，所述電容元件包括形成于所述下膜部或所述下結(jié)構(gòu)體 上的位移電極；以及固定至與所述位移電極相對(duì)的位置處的固定電極。
42.根據(jù)權(quán)利要求19至30中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述第一 X軸傳感器由第一 X軸電容元件構(gòu)成，所述第一 X軸電容元件包括形成于所述第一 X軸下膜部上的第一 X軸位移電極；以及固定至與所述第一 X軸位移電極相對(duì)的位 置處的第一 X軸固定電極，所述第二 X軸傳感器由第二 X軸電容元件構(gòu)成，所述第二 X軸電容元件包括形成于所 述第二 X軸下膜部上的第二 X軸位移電極；以及固定至與所述第二 X軸位移電極相對(duì)的位 置處的第二 X軸固定電極，所述第三X軸傳感器由第三X軸電容元件構(gòu)成，所述第三X軸電容元件包括形成于所 述第三X軸下膜部上的第三X軸位移電極；以及固定至與所述第三X軸位移電極相對(duì)的位 置處的第三X軸固定電極，所述第四X軸傳感器由第四X軸電容元件構(gòu)成，所述第四X軸電容元件包括形成于所 述第四X軸下膜部上的第四X軸位移電極；以及固定至與所述第四X軸位移電極相對(duì)的位 置處的第四X軸固定電極，所述第一 Y軸傳感器由第一 Y軸電容元件構(gòu)成，所述第一 Y軸電容元件包括形成于所 述第一 Y軸下膜部上的第一 Y軸位移電極；以及固定至與所述第一 Y軸位移電極相對(duì)的位 置處的第一 Y軸固定電極，所述第二 Y軸傳感器由第二 Y軸電容元件構(gòu)成，所述第二 Y軸電容元件包括形成于所 述第二 Y軸下膜部上的第二 Y軸位移電極；以及固定至與所述第二 Y軸位移電極相對(duì)的位 置處的第二 Y軸固定電極，所述第三Y軸傳感器由第三Y軸電容元件構(gòu)成，所述第三Y軸電容元件包括形成于所 述第三Y軸下膜部上的第三Y軸位移電極；以及固定至與所述第三Y軸位移電極相對(duì)的位 置處的第三Y軸固定電極，所述第四Y軸傳感器由第四Y軸電容元件構(gòu)成，所述第四Y軸電容元件包括形成于所 述第四Y軸下膜部上的第四Y軸位移電極；以及固定至與所述第四Y軸位移電極相對(duì)的位 置處的第四Y軸固定電極，并且所述檢測(cè)器輸出基于以下值而獲得的電信號(hào)作為檢測(cè)值所述第一 X軸電容元件的靜 態(tài)電容波動(dòng)值Cxi、所述第二 X軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx2、所述第三X軸電容元件 的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx3、所述第四X軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx4、所述第一 Y軸電容 元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cyl、所述第二 Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy2、所述第三Y軸 電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy3、所述第四Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy4。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述下基板由導(dǎo)電材料制成，并且所述第一至第四X軸下膜部本身分別用作第一至第 四X軸位移電極，且所述第一至第四Y軸下膜部本身分別用作第一至第四Y軸位移電極。
44.根據(jù)權(quán)利要求42或43所述的力檢測(cè)裝置，進(jìn)一步包括 牢固地固定至所述下基板的下表面的輔助基板，其中，在所述輔助基板的上表面上位于所述第一至第四X軸下膜部下方的位置形成有第一 至第四X軸輔助凹槽，并且在所述輔助基板的上表面上位于所述第一至第四Y軸下膜部下 方的位置形成有第一至第四Y軸輔助凹槽，并且在所述第一至第四X軸輔助凹槽的底面上形成有第一至第四X軸固定電極，并且在所 述第一至第四Y軸輔助凹槽的底面上形成有第一至第四Y軸固定電極。
45.根據(jù)權(quán)利要求42或43所述的力檢測(cè)裝置，進(jìn)一步包括牢固地固定至所述下基板的下表面的輔助基板，其中，在所述輔助基板的上表面上形成有環(huán)形輔助凹槽，所述環(huán)形輔助凹槽將所述第一至第 四X軸下膜部下方的位置和所述第一至第四Y軸下膜部下方的位置連結(jié)，并且在所述環(huán)形 輔助凹槽的底面上形成第一至第四X軸固定電極和第一至第四Y軸固定電極。
46.根據(jù)權(quán)利要求42或43所述的力檢測(cè)裝置，其中，一間隔件牢固地固定于所述下基板的下表面上的除了所述第一至第四X軸下膜部和 所述第一至第四Y軸下膜部以外的預(yù)定位置，一輔助基板牢固地固定在所述間隔件的下 方，并且在所述輔助基板的上表面上形成第一至第四X軸固定電極和第一至第四Y軸固定 電極。
47.根據(jù)權(quán)利要求32所述的力檢測(cè)裝置，進(jìn)一步包括固定在所述下結(jié)構(gòu)體下方預(yù)定距離的輔助基板，其中，所述第一 X軸傳感器由第一 X軸電容元件構(gòu)成，所述第一 X軸電容元件包括第一 X軸 位移電極，形成于延伸至與所述第一 X軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上；以及 第一 X軸固定電極，在所述輔助基板的上表面上固定至與所述第一 X軸位移電極相對(duì)的位 置處，所述第二 X軸傳感器由第二 X軸電容元件構(gòu)成，所述第二 X軸電容元件包括第二 X軸 位移電極，形成于延伸至與所述第二 X軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上；以及 第二 X軸固定電極，在所述輔助基板的上表面上固定至與所述第二 X軸位移電極相對(duì)的位 置處，所述第三X軸傳感器由第三X軸電容元件構(gòu)成，所述第三X軸電容元件包括第三X軸 位移電極，形成于延伸至與所述第三X軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上；以及 第三X軸固定電極，在所述輔助基板的上表面上固定至與所述第三X軸位移電極相對(duì)的位 置處，所述第四X軸傳感器由第四X軸電容元件構(gòu)成，所述第四X軸電容元件包括第四X軸 位移電極，形成于延伸至與所述第四X軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上；以及 第四X軸固定電極，在所述輔助基板的上表面上固定至與所述第四X軸位移電極相對(duì)的位 置處，所述第一 Y軸傳感器由第一 Y軸電容元件構(gòu)成，所述第一 Y軸電容元件包括第一 Y軸 位移電極，形成于延伸至與所述第一 Y軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上；以及 第一 Y軸固定電極，在所述輔助基板的上表面上固定至與所述第一 Y軸位移電極相對(duì)的位 置處，所述第二 Y軸傳感器由第二 Y軸電容元件構(gòu)成，所述第二 Y軸電容元件包括第二 Y軸 位移電極，形成于延伸至與所述第二 Y軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上；以及 第二 Y軸固定電極，在所述輔助基板的上表面上固定至與所述第二 Y軸位移電極相對(duì)的位 置處，所述第三Y軸傳感器由第三Y軸電容元件構(gòu)成，所述第三Y軸電容元件包括第三Y軸 位移電極，形成于延伸至與所述第三Y軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上；以及 第三Y軸固定電極，在所述輔助基板的上表面上固定至與所述第三Y軸位移電極相對(duì)的位 置處，所述第四Y軸傳感器由第四Y軸電容元件構(gòu)成，所述第四Y軸電容元件包括第四Y軸 位移電極，形成于延伸至與所述第四Y軸柱狀件的下端連接的連接位置的分支部上；以及 第四Y軸固定電極，在所述輔助基板的上表面上固定至與所述第四Y軸位移電極相對(duì)的位 置處，并且所述檢測(cè)器輸出基于以下值而獲得的電信號(hào)作為檢測(cè)值所述第一 X軸電容元件的靜 態(tài)電容波動(dòng)值Cxi、所述第二 X軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx2、所述第三X軸電容元件 的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx3、所述第四X軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cx4、所述第一 Y軸電容 元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cyl、所述第二 Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy2、所述第三Y軸 電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy3、所述第四Y軸電容元件的靜態(tài)電容波動(dòng)值Cy4。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的力檢測(cè)裝置，其中，所述下結(jié)構(gòu)體由導(dǎo)電材料制成，并且所述分支部本身分別用作第一至第四X軸位移電 極和第一至第四Y軸位移電極。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的力檢測(cè)裝置，其中，在所述輔助基板的上表面上與所述分支部的末端部相對(duì)的位置處設(shè)置與所述固定電 極電絕緣的接觸判定電極，以基于所述分支部的末端部與所述接觸判定電極之間的電連續(xù) 狀態(tài)判定所述分支部的末端部與所述接觸判定電極是否彼此物理接觸。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的力檢測(cè)裝置，其中，在與一分支部的末端部相對(duì)的位置處設(shè)置有彼此絕緣的一對(duì)接觸判定電極，以基于這 對(duì)接觸判定電極之間的電連續(xù)狀態(tài)判定所述分支部的末端部與這對(duì)接觸判定電極是否彼 此物理接觸。
51.根據(jù)權(quán)利要求48所述的力檢測(cè)裝置，其中，在所述輔助基板的上表面上連結(jié)與各分支部的末端部相對(duì)的位置的一環(huán)形區(qū)域中，設(shè) 置有與所述固定電極電絕緣的接觸判定環(huán)形電極，以基于分支部的末端部與所述接觸判定 環(huán)形電極之間的電連續(xù)狀態(tài)判定分支部的末端部與所述接觸判定環(huán)形電極是否彼此物理 接觸。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的力檢測(cè)裝置，其中，在所述環(huán)形區(qū)域中，設(shè)置有彼此絕緣且彼此同心的一對(duì)接觸判定環(huán)形電極，以基于這 對(duì)接觸判定環(huán)形電極之間的電連續(xù)狀態(tài)判定所述分支部的末端部與這對(duì)接觸判定環(huán)形電 極是否彼此物理接觸。
53.根據(jù)權(quán)利要求49至52中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，由所述接觸判定電極或所述接觸判定環(huán)形電極與所述分支部之間的物理接觸形成的 導(dǎo)電路徑構(gòu)成將每個(gè)位移電極與所述檢測(cè)器電連接的接線路徑。
54.根據(jù)權(quán)利要求42至53中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，第一 X軸柱狀件向XY平面上的正交投影圖像和第一 Y軸柱狀件向XY平面上的正交投 影圖像均位于XY坐標(biāo)系的第一象限中，第三X軸柱狀件向XY平面上的正交投影圖像和第二 Y軸柱狀件向XY平面上的正交投 影圖像均位于XY坐標(biāo)系的第二象限中，第四X軸柱狀件向XY平面上的正交投影圖像和第四Y軸柱狀件向XY平面上的正交投 影圖像均位于XY坐標(biāo)系的第三象限中，并且第二 X軸柱狀件向XY平面上的正交投影圖像和第三Y軸柱狀件向XY平面上的正交投 影圖像均位于XY坐標(biāo)系的第四象限中，第一至第四X軸柱狀件傾斜，從而上端變得比下端更靠近XZ平面， 第一至第四Y軸柱狀件傾斜，從而上端變得比下端更靠近YZ平面，并且 由“第一至第四X軸柱狀件”、“第一至第四Y軸柱狀件”、“所述上基板或所述上結(jié)構(gòu) 體”、以及“所述下基板或所述下結(jié)構(gòu)體”構(gòu)成的主結(jié)構(gòu)體關(guān)于XZ平面對(duì)稱，并且關(guān)于YZ平 面也對(duì)稱。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述的力檢測(cè)裝置，其中， 所述檢測(cè)器輸出信號(hào)值V (Fx) 與根據(jù)表達(dá)式“(Cyl_Cy2) + (Cy3_Cy4) ”獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為在X軸方 向上施加的力Fx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V(Fy)*,與根據(jù)表達(dá)式“(CX1-CX2) + (CX3-CX4) ”獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為在Y軸方 向上施加的力Fy的檢測(cè)值。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的力檢測(cè)裝置，其中， 所述檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V (Mx)，與根據(jù)表達(dá)式“(Cy3+Cy4) - (Cyl+Cy2)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為圍繞X軸 施加的力矩Mx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V (My)，與根據(jù)表達(dá)式“(Cxl+Cx2) - (Cx3+Cx4)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為圍繞Y軸 施加的力矩My的檢測(cè)值。
57.根據(jù)權(quán)利要求54所述的力檢測(cè)裝置，其中， 所述檢測(cè)器輸出信號(hào)值V (Mx)，與根據(jù)表達(dá)式“(Cy3+Cy4) - (Cyl+Cy2)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為圍繞X軸 施加的力矩Mx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V (My)，與根據(jù)表達(dá)式“(Cx 1+Cx2) - (Cx3+Cx4) ”獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為圍繞Y軸 施加的力矩My的檢測(cè)值。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的力檢測(cè)裝置，其中， 通過使用預(yù)定系數(shù)kl至k4，所述檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V(Fx)，與根據(jù)表達(dá)式“ (Cyl-Cy2) + (Cy3-Cy4)-k2/kl -V(My) ”獲得的值相對(duì)應(yīng)， 作為在X軸方向上施加的力Fx的檢測(cè)值；以及信號(hào)值V(Fy)，與根據(jù)表達(dá)式“ (Cxl-Cx2) + (Cx3-Cx4)-k4/k3 -V(Mx) ”獲得的值相對(duì)應(yīng)， 作為在Y軸方向上施加的力Fy的檢測(cè)值。
59.根據(jù)權(quán)利要求55至58中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中， 檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值V(Fz),其與根據(jù)表達(dá)式 "-(Cxl+Cx2+Cx3+Cx4+Cyl+Cy2+Cy3+Cy4)” 或 "-(Cxl+Cx2+Cx3+Cx4) ” 或"-(Cyl+Cy2+Cy3+Cy4)，，獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為在Z軸方向上施加的力Fz的檢測(cè)值。
60.根據(jù)權(quán)利要求55至59中的任一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中， 所述檢測(cè)器進(jìn)一步輸出信號(hào)值 V(Mz)，與根據(jù)表達(dá)式“(CXl-CX2) + (CX4-CX3) + (Cy2-Cyl) + (Cy3-Cy4) ” 獲得的值相對(duì)應(yīng)，作為圍繞Z軸方向施加的力矩Mz的檢測(cè)值。
61.根據(jù)權(quán)利要求1至60中的一項(xiàng)所述的力檢測(cè)裝置，其中，將柱狀件的一部分或整體設(shè)置成具有撓性，從而當(dāng)施加外力時(shí)，柱狀件變形。
62.根據(jù)權(quán)利要求61所述的力檢測(cè)裝置，其中，在柱狀件的一部分上形成具有撓性的收縮部，從而當(dāng)施加外力時(shí)，柱狀件根據(jù)所述收 縮部的變形而彎曲。
63.根據(jù)權(quán)利要求61所述的力檢測(cè)裝置，其中，整個(gè)柱狀件由具有撓性的材料制成，從而當(dāng)施加外力時(shí)，整個(gè)柱狀件變形。
全文摘要
本發(fā)明提供力檢測(cè)裝置。在平行于XY平面的上基板(10)和下基板(20)之間，設(shè)置有第一柱狀件P1和第二柱狀件P2。每個(gè)柱狀件P1或P2的上端經(jīng)由上膜部(11或12)連接至上基板(10)，并且下端經(jīng)由導(dǎo)電下膜部(21或22)連接至下基板(20)。柱狀件P1和P2相對(duì)于豎直參考軸線R1和R2相互相對(duì)地傾斜。當(dāng)對(duì)上基板(10)施加向右的力+Fx且上基板(10)向右滑動(dòng)時(shí)，柱狀件P1在放下方向上傾斜，且下膜部(21)向上變形，并且柱狀件P2在上升方向上傾斜，且下膜部(22)向下變形。基于由下膜部(21)和電極E5構(gòu)成的電容元件與由下膜部(22)和電極E6構(gòu)成的電容元件之間的電容值的差，檢測(cè)在X軸方向上的力Fx。通過將電容值加和，還可檢測(cè)在Z軸方向上的力Fz。
文檔編號(hào)G01L5/16GK101949749SQ201010145239
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者岡田和廣 申請(qǐng)人:株式會(huì)社和廣